CN101438486A - 用于电动力机的转子-定子结构 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种用于电动力机的转子－定子结构，其尤其用于使磁通量路径长度最小化和消除护铁，以增加每单位尺寸(或单位重量)的转矩和/或效率并降低制造成本。在一个实施例中，示范性转子－定子结构可包含界定旋转轴线的轴，以及所述轴上面安装有至少两个磁体的转子。所述两个磁体可为圆柱形或圆锥形磁体，其具有面对气隙的磁表面。在某些实施例中，大致笔直的场磁极构件可经同轴布置且具有形成在所述场磁极两端处的通量交互作用表面。所述表面位于邻近所述面对磁表面处以界定功能气隙，所述功能气隙在形状上是大体弯曲的。

Description

用于电动力机的转子-定子结构

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2004年10月25日申请的第60/622,258号美国临时申请案、2004年12月23日申请的第11/021,417号美国非临时申请案和2005年10月20日申请的题为“Rotor-Stator Structure for Electrodynamic Machines”的第11/xxx，xxx号美国非临时申请案的优先权，所述申请案每一者均以全文引用方式并入本文中。

技术领域

本发明大体上涉及电马达、交流发电机、发电机和其类似物，且更明确地说，涉及用于马达的转子-定子结构，举例来说，所述转子-定子结构通过最小化磁通量路径的长度，或通过矫直穿过场磁极构件的那些路径，或者通过这两种方式来增加每单位尺寸(或每单位重量)的输出转矩。另外，所述转子-定子结构(例如)通过最小化损耗和通过消除“护铁”材料来节省资源(例如降低制造成本)。

背景技术

在用于分数和子分数马力马达的传统定子和转子结构中，永久磁体经常集成到转子组合件中，所述转子组合件通常与铁磁定子结构在同一平面中旋转，所述铁磁定子结构为磁体和电流生成的通量提供磁返回路径。电流生成的通量(也被称为安匝(“AT”)生成的通量)是通过使电流穿过包裹在定子构件结构的磁极区周围的线圈绕组而生成的。尽管这些和其它电马达的常规定子和转子结构有作用，但其具有若干缺点，如接下来论述。

图1说明传统的电马达，其例示通常使用的定子和转子结构。电马达100是由定子结构104、磁毂106和轴102组成的圆柱形马达。马达100的转子结构包括一个或一个以上永久磁体110，所有所述永久磁体110均经由磁毂106而附着到轴102，以在定子结构104内旋转。定子结构104通常包括场磁极118，其每一者具有缠绕在每个场磁极118周围的线圈绕组112(仅展示一个)。定子结构104包括槽108，所述槽108部分用于提供用于在制造期间将线圈线缠绕在定子场磁极118周围的线通道。槽108还提供相邻场磁极118之间的磁分离。定子结构104包括外围通量承载段119作为磁返回路径116的一部分。在许多情况下，定子结构104由叠片114组成，所述叠片114通常由各向同性(例如，非晶粒取向)的磁导材料形成。磁返回路径116(其为若干磁返回路径中的一者，在所述若干磁返回路径中存在永久磁体生成的通量和AT生成的通量)被展示为在外围通量承载段119处本质上稍有弓形，但包括进入场磁极区118中的相对急转弯。

传统电马达(包括电马达100)的一个缺点在于，磁返回路径116需要相对较长的长度来为从一个转子磁极110发出且经由磁返回路径116而横穿到另一转子磁极110的通量完成磁路。此外，磁返回路径116不是直线，这对于承载磁通量是优选的。如图示，磁返回路径116在定子路径中具有两个九十度转弯。磁返回路径116从场磁极区118到外围通量承载段119转弯一次，且接着再次从外围通量承载段119转到另一场磁极区118。这两个转弯对于有效承载通量是次优的。如实施，磁返回路径116需要比原本承载场磁极之间的此类通量所必需的材料更多的材料或“护铁”。结果，磁返回路径116向传统电马达添加了重量和尺寸，从而增加了马达形状因数以及制造此类马达的材料成本。

常规电马达的另一缺点在于，叠片114未有效使用各向异性材料来优化通量密度且降低通量承载磁极(例如通过场磁极118)和外围通量承载段119处的定子区中的磁滞损耗。明确地说，外围通量承载段119包括非笔直通量路径，这限制了使用此类各向异性材料来最小化磁滞损耗(或“铁损”)。磁滞是磁性材料保持其磁性的倾向。“磁滞损耗”是磁化和去磁化构成定子区的磁性材料所需的能量，其中磁滞损耗随着磁性材料量增加而增加。由于磁返回路径116具有一个或一个以上九十度或更大的转弯，因而使用各向异性材料(例如晶粒取向材料)不能有效降低磁滞损耗，因为外围通量承载段119中的磁返回路径116会走捷径穿过叠片114的方向取向。举例来说，如果方向120表示叠片114的晶粒取向，那么磁返回路径116的至少两部分横穿晶粒的方向120，从而阻滞定子外围通量承载段119的这些部分的通量密度容量。因此，各向异性材料一般不在类似于定子结构104的结构中实施，因为通量路径通常为曲线的而并非笔直的，这限制通过使用此类材料而提供的好处。

常规电马达的又一缺点在于磁返回路径116的相对较长的长度。改变磁场(例如以马达换向频率而产生的那些磁场)可导致在叠片114中在与诱发其的磁场相反的定向中产生涡电流。涡电流导致功率损耗，所述功率损耗粗略地与磁通量改变速率的幂函数成比例，且粗略地与受影响叠片材料的体积成比例。

通常使用的电马达的其它缺点包括实施用于降低“顿转(cogging)”或定位转矩的专门技术，所述专门技术不太适用于多种电马达设计。顿转是非均匀角度转矩，其导致“顿挫(jerking)”运动而并非平稳旋转运动。此效果通常在低速度时最明显，且当场磁极118处于相对于磁极的不同角度位置处时，将向负载施加增加和减小转矩。另外，固有旋转加速度和减速度导致可闻振动。

在另一类型电马达中，磁极定位在围绕转子轴的相对较大直径处(或与转子轴相距较大径向距离处)。这些磁极以及造成这些磁极的永久磁体通常围绕所述轴而同轴布置，其中相邻磁极在极性上交替。电枢圆盘通常在垂直于转子轴的平面中支撑所述永久磁体作为单独的非单片磁体。基于电马达设计的特定宗旨而设计例如此的结构。根据此宗旨，通过增加磁极与转子轴之间的径向距离来实现输出转矩的增加。因此，此类型电马达的磁极愈加定位在与转子轴相距更大距离处，以增加从旋转轴线到气隙的转矩臂距离，从而增加输出转矩。此途径的缺点在于，在形成较大马达结构以适应较大转矩臂距离时消耗额外材料，例如用于形成磁通量返回路径的那些结构。这些磁通量返回路径通常是使用“护铁”来形成的，以完成较大通量路径，所述通量路径在本质上一般是迂回的。通过添加护铁来完成磁路，增加了磁通量所穿过的磁性材料体积，这不利地趋向于增加磁滞和涡电流损耗，所述磁滞和涡电流损耗两者可被统称为“铁心损耗”。另外，添加“护铁”以完成磁路增加了磁通量路径的长度，从而加剧铁心损耗。此类型马达的另一缺点在于，马达体积随着磁极远离轴定位而增加，这又限制了此类型马达的可利用的应用和用途。

“护铁”是通常用于描述经常用于完成原本断开的磁路的物理结构(以及造成所述物理结构的材料)的术语。护铁结构一般仅用于将磁通量从一个磁路元件传送到另一磁路元件，例如从一个磁导场磁极传送到另一磁导场磁极，或从一永久磁体的磁极传送到另一永久磁体的磁极，或者此两种情况。另外，一般不形成“护铁”结构来容纳相关联的安匝生成元件，例如一个或一个以上线圈。

鉴于前述内容，将需要提供一种最小化电马达和发电机中上文提及的缺点的转子-定子结构，且以每单位尺寸或每单位重量为基础(或其两者)增加输出转矩和效率，以及在制造和/或操作期间节省资源。

发明内容

本发明揭示一种系统、设备和方法，其用于实施用于电动力机(例如电马达、发电机、交流发电机和类似物)的示范性转子-定子结构。根据本发明的一个实施例，用于电动力机的转子-定子结构包括具有圆柱形表面且轴向布置在旋转轴线上的圆柱形磁体。所述圆柱形磁体(例如)可包括两个圆柱形磁体，所述两个圆柱形磁体经定位以使得所述两个圆柱形磁体的极化方向在大致相反的方向上。所述转子-定子结构还可包括与所述轴线同轴布置的场磁极构件。所述场磁极构件可具有通量交互作用表面，所述通量交互作用表面形成在场磁极构件的末端处且邻近于圆柱形磁体表面的面对所述通量交互作用表面的部分。通量交互作用表面和圆柱形磁体表面的所述部分界定气隙。另外，通量交互作用表面经配置以将场磁极构件磁耦合到圆柱形磁体。显然，某些实施例中的通量交互作用表面经定型以为所述气隙中的每一者维持大致均匀的厚度，以增加圆柱形磁体与场磁极构件之间的通量交互作用，从而增加输出转矩。在至少一个实施例中，所述气隙可在垂直于所述旋转轴线的平面中具有弧形横截面。举例来说，界定气隙的上边界和下边界的横截面可与在所述平面中围绕轴的圆的圆周的一段对准。

在某些实施例中，所述转子-定子结构还包括上面附加圆柱形磁体的轴，其中所述轴界定旋转轴线且延伸穿过所述圆柱形磁体的每一者。在至少一个实施例中，所述场磁极构件中的至少一者是大致笔直的场磁极构件，所述场磁极构件经配置以在第一通量交互作用表面与第二通量交互作用表面之间提供大致笔直的通量路径。所述大致笔直的通量路径可与比与从第一通量交互作用表面延伸到第二通量交互作用表面的非笔直通量路径相关联的磁阻更低的磁阻相关联。例如，所述非笔直通量路径包括与在前通量路径段偏离约九十度角度的随后通量路径段，所述随后通量路径段和所述在前通量路径段两者为连续的。所述通量交互作用表面每一者具有经尺寸设定以生成最大转矩输出的表面区域。明确地说，所述表面区域可经尺寸设定为至少场磁极构件之间的周边距离的函数，以提供圆柱形磁体与场磁极构件之间的最大磁耦合且同时至少使场磁极构件之间的泄漏最小化。在至少一个实施例中，与通量交互作用表面的部分正交的多个法向向量可界定气隙的大致均匀厚度。因而，法向向量每一者大体上具有大致均匀的长度，且终止于圆柱形表面的部分处。举例来说，所述法向向量的每一者大体上与圆柱形表面的个别部分正交。但存在彼此不平行(例如，相对于弯曲表面)的至少两个法向向量，尤其是在所述两个法向向量驻留在垂直于旋转轴线的平面中时。在某些情况下，通量交互作用表面和圆柱形表面的那些部分代表通量交互作用表面和圆柱形表面的各自定型表面上的点。在至少一个实施例中，与通量交互作用表面的部分正交的所述多个法向向量可为气隙界定非均匀厚度。在至少一种情况下，面对所述气隙的极面经定型以提供非均匀的气隙厚度。造成非均匀气隙厚度的极面的实例是具有大致位于单个相对较平坦平面中的表面(例如，在制造场磁极构件期间由笔直切割形成)的极面。

转子-定子结构的场磁极构件的每一者可进一步包括叠片，以使得在轴向方向上延伸的中间平面将所述叠片的数量近似地一分为二，以使得在所述中间平面的一侧处，随着叠片经定位而远离中间平面，叠片大体上在至少一个维度上减小。所述叠片可从由磁导材料组成的衬底以减少磁导材料废料的配置形成。注意，所述叠片中的至少一者可以是各向异性的。在一个实施例中，转子-定子结构的场磁极构件中的每一者可进一步包括经尺寸设定以在轴向方向上观看时具有可变横截面的磁导材料。所述尺寸可经界定以辅助控制定位转矩，降低涡电流损耗，降低制造成本，或实现所有前述内容。注意，所述可变尺寸设定部分中的至少一者可以是各向异性的或任何种类的材料。在某些情况下，所述可变尺寸设定部分可包括与极靴和/或极面相同或不同的材料。

在至少一个实施例中，所述通量交互作用表面中的每一者包括偏斜的通量交互作用表面，以使相邻场磁极构件之间的场磁极间隙偏斜，从而使定位转矩最小化。在某些情况下，所述偏斜的通量交互作用表面包括界定场磁极间隙的第一侧的第一边缘和界定另一场磁极间隙的第二侧的第二边缘，藉此所述第一边缘和所述第二边缘维持不与所述圆柱形磁体中至少一者的极化方向对准的角度，其中第一场磁极构件的一个第一边缘和第二场磁极构件的一个第二边缘形成场磁极间隙。

转子-定子结构的场磁极构件中的每一者可包括中央场磁极构件部分，其具有可与围绕旋转轴线的圆的一部分共同延伸的外周边表面，以减小转子-定子结构的体积尺寸。所述场磁极构件中的至少一者还可包括线圈，所述线圈缠绕在其周围以形成至少一个作用场磁极构件。转子结构的极化方向可包括第一极化方向和第二极化方向，藉此所述圆柱形磁体中的一个圆柱形磁体经定向以具有第一极化方向，且所述圆柱形磁体中的另一圆柱形磁体经定向以具有第二极化方向。所述第一极化方向经设置为与所述第二极化方向成极化角度，以使定位转矩最小化，所述极化角度是从约150度到180度的任何角度。

在特定实施例中，转子-定子结构经配置以生成磁通量路径，所述磁通量路径本质上由第一圆柱形磁体、第二圆柱形磁体、场磁极构件和两个或两个以上气隙构成，其中所述第一圆柱形磁体和所述第二圆柱形磁体中的每一者是单片磁体。在某些情况下，所述场磁极构件中的一者或一者以上可由从每个场磁极构件的一端到另一端是连续的磁导材料和经配置以容纳用于生成安匝(“AT”)通量的元件的至少一部分而组成。类似地，圆柱形磁体中的每一者可由连续磁体材料组成。

一般来说，所述场磁极构件中的所述一者或一者以上的数量独立于圆柱形磁体的磁极数目。不存在磁极数目与场磁极构件数目相同的一般要求。场磁极构件可包括硅-铁合金、镍-铁合金、钴-镍合金、钢合金、铁合金、磁性合金粉末和/或软磁性合成物中的一者或一者以上。圆柱形磁体一般是包括以下一者或一者以上的永久磁体：钕铁(“NdFe”)、一种或一种以上稀土磁体材料和/或一种或一种以上陶瓷磁体材料。在一个方面，一个或一个以上场磁极构件可经定形以通过避免经由槽缠绕线圈或将线圈缠绕到中间结构上来使与在所述至少一个场磁极构件上缠绕线圈相关联的制造复杂性最小化。线圈可在轴向方向上大致延伸所述至少一个作用场磁极构件的长度，以减少从所述至少一个作用场磁极构件的周边的通量泄漏。在至少一个实施例中，所述场磁极构件中的每一者具有叠片和处于第一通量交互作用表面与第二通量交互作用表面之间的中央场磁极构件部分。所述中央场磁极构件部分可具有由围绕旋转轴线的圆的至少一部分限定的外周边表面，使得所述叠片中的至少两者具有尺寸不同的横截面。

根据本发明另一实施例，用于电动力机的转子-定子结构具有轴线，且可至少包括转子组合件，在所述转子组合件中安装有至少两个大致圆柱形磁体，所述两个磁体轴向布置在所述转子组合件轴线上且彼此间隔开。所述圆柱形磁体具有预定磁极化区。所述圆柱形磁体中的每一者具有主要维度大致平行于所述轴线的面对圆柱形磁表面。以在大致相反方向上定向磁极化作用的方式相对于所述轴线来布置圆柱形磁体。所述磁极化作用可描述为位于穿过圆柱形磁体表面且同时大致垂直于所述轴线的平面内。转子-定子结构还包括与所述轴线同轴布置的场磁极构件，其中通量交互作用表面形成在所述场磁极构件的末端处。所述通量交互作用表面大体上定位于所述面对磁表面邻近处，所述面对磁表面可与其主要维度共同延伸。通量交互作用表面和面对磁表面大体上界定功能气隙。场磁极构件中的每一者应当为磁导的。场磁极构件中的每一者可为大致笔直的。通量交互作用表面经配置以将场磁极构件磁耦合到圆柱形磁体。在特定实施例中，通量交互作用表面中的每一者进一步包括偏斜的通量交互作用表面，以使相邻场磁极构件之间的场磁极间隙偏斜，从而使定位转矩最小化。在一个实施例中，转子-定子结构经配置以将磁通量路径限制为仅横穿圆柱形磁体中的两者、场磁极构件中的两者、通量交互作用表面中的两者和气隙中的两者。

转子-定子结构可进一步包括线圈，所述线圈缠绕在所述场磁极构件中的至少一者的周围以形成作用场磁极构件。另外，转子-定子结构可不包括护铁。不包括护铁降低了磁损耗，以及减少了用于制造电动力机的材料量。注意，场磁极构件可经配置以相对于圆柱形磁体围绕所述轴线旋转，或者圆柱形磁体可经配置以相对于场磁极构件围绕所述轴线旋转。在一个实施例中，大致笔直的场磁极构件中的每一者经配置以使从第一通量交互作用表面的表面部分延伸到第二通量交互作用表面的表面部分的通量路径中的线性偏离最小化。举例来说，可降低偏离量和通量与线偏离的程度，以避免通量路径中的突然或相对较急的转弯。在一个例子中，所述圆柱形磁体中的一个圆柱形磁体具有第一极化方向，且所述圆柱形磁体中的另一圆柱形磁体具有第二极化方向。所述第一极化方向可处于与第二极化方向不同的极化角度，以使定位转矩最小化，其中所述极化角度为从约150度到180度的任何角度。举例来说，第一方向可与第二方向成约150度到180度的极化角度。

根据本发明又一实施例，用于电动力机的转子-定子结构包括界定旋转轴线且具有第一末端部分、中央部分和第二末端部分的轴。所述转子-定子结构还可至少包括第一磁体结构和第二磁体结构，其每一者具有一个或一个以上磁体表面。所述第一磁体结构和所述第二磁体结构每一者同轴附加在所述轴上，以使得第一磁体结构的所述一个或一个以上磁体表面的极化方向在与第二磁体结构的所述一个或一个以上磁体表面的极化方向大致相反的方向上。所述转子-定子结构进一步包括多组绕组和与所述轴大致同轴布置的许多场磁极构件。所述场磁极构件中的每一者可包括许多叠片。所述场磁极构件中的每一者在第一场磁极构件末端处具有第一极靴且在第二场磁极构件末端处具有第二极靴。所述第一极靴经定位以与所述第一磁体结构的一部分邻近，以形成第一通量交互作用区，且所述第二极靴经定位以与所述第二磁体结构的一部分邻近，以形成第二通量交互作用区。

第一通量交互作用区和第二通量交互作用区两者包括气隙。所述气隙中的每一者可大体上具有大致均匀的厚度，且可在垂直于旋转轴线的平面中具有弧形横截面。弧形可被描述为圆的圆周的一段。在一个实施例中，第一和第二通量交互作用区中的场磁极构件的极面不是弧形的，而是相对平坦的。明确地说，当在包括所述轴线的平面中的横截面中观看时，极面的相对平坦表面大体上面对邻近磁体表面的轮廓。所述场磁极构件中的每一者还具有至少一中央场磁极构件部分，围绕所述中央场磁极构件部分可缠绕所述多组绕组中的一组。所述第一极靴和所述第二极靴中的每一者包括过渡区，所述过渡区以非正交角度连接所述第一场磁极构件末端和所述第二场磁极构件末端中的每一者与所述中央场磁极构件部分。这降低了中央场磁极构件部分与第一极靴或第二极靴或两者之间的通量路径的磁阻。所述过渡区包括瞬时通量路径，用以提供从其开始或到达与中央场磁极构件部分相关联的第一通量路径段的锐角，且提供从其开始或到达与第一和第二极靴中任一者相关联的第二通量路径段的相同或不同锐角。在某些情况下，所述锐角从(例如)通量路径的方向是在近似0度到60度之间。

在一个实施例中，第一磁体结构和第二磁体结构每一者是双极磁体，其中所述第一磁体结构的一个磁体表面具有指向第一方向的北极，且第二磁体结构的一个磁体表面具有指向第二方向的北极，所述第一方向与所述第二方向相差150度到180度之间的角度，其中所述双极磁体中的每一者是单片的。在某些实施例中，所述第一磁体结构和所述第二磁体结构每一者为多极磁体，第一磁体结构的所述一个或一个以上磁体表面包括多个北极和南极，所述北极和南极中的一者指向第一方向，且第二磁体结构的所述一个或一个以上磁体表面包括多个北极和南极，所述北极和南极中的一者指向第二方向，所述第一方向与所述第二方向相差150度到180度之间的角度。第一磁体结构和第二磁体结构可包括单独磁体，所述单独磁体每一者具有与其它单独磁体邻接的界面而没有任何插入结构。在各种实施例中，第一磁体结构和第二磁体结构包括每一者均具有圆柱形表面的一个或一个以上圆柱体形状磁体或者每一者均具有圆锥形表面的一个或一个以上圆锥体形状磁体或包括两者。在一个实施例中，所述一个或一个以上磁体表面每一者包含离散磁化区，且第一磁体结构和第二磁体结构每一者包含磁体支撑件，所述磁体支撑件经配置以与轴线成锐角或平行于轴线或者两者而在主要维度上支撑所述离散磁化区，所述磁体支撑件附加到所述轴。

所述转子-定子结构可经配置以接收作为进入所述至少一个线圈的电流的电力以用于实施电马达，或接收作为围绕轴线的旋转运动的机械动力以用于实施发电机。或者，如果转子-定子结构在电马达内实施，那么转子-定子结构可经配置以实施复激马达或串激马达或两者，且如果转子-定子结构在发电机内实施，那么所述转子-定子结构经进一步配置以实施复激发电机或串激发电机或两者。

根据至少一个实施例，示范性转子-定子结构可设置在电马达内，以提供可由此类马达传递的相对于具有相同尺寸和/或重量的常规电马达来说更多的输出转矩。在一个实施例中，转子-定子结构提供相对较短且较笔直的磁路径和比用于电动力机的传统定子-转子结构更有效的材料使用。在各向异性(例如，晶粒取向材料)磁导材料用于形成本发明特定实施例的场磁极构件的情况下，此类材料的固有磁性质有助于增加通量承载区中的通量密度。注意，这些材料可用于或不用于形成叠片。外部返回路径(例如传统上使用护铁实施的那些返回路径)的消除或至少减少因此节省重量，且减小实施本发明转子-定子结构的各种实施例的电动力机的整体尺寸。在另一实施例中，定子-转子结构以相同输出转矩提供比具有类似尺寸的常规马达更大的马达效率。此效率增加至少部分归因于较低电阻绕组，所述较低电阻绕组转化为较低的电流平方乘以电阻(即，I²*R)功率损耗，且同时产生与在传统马达的类似尺寸的封装或马达罩中所建立的安匝生成通量相同的安匝生成通量。另外，本发明的转子-定子结构的制造相比常规马达来说较不复杂(例如，在线圈缠绕过程中)且成本较低(例如，由于材料的节省)。

附图说明

结合以下结合附图所作的详细描述更完整地理解本发明，其中：

图1例示在传统电马达中实施的常用定子和转子结构；

图2A是根据本发明一个实施例的实施圆柱形磁体的示范性转子-定子结构的分解图；

图2B是根据本发明一个实施例的其中磁体为圆锥形形状的示范性转子-定子结构的分解图；

图3描绘根据本发明一个实施例的不具有磁体的图2B的转子-定子结构的端视图，用以说明经配置以经由气隙而与圆锥形磁体的面对磁表面进行交互作用的极面的定向；

图4描绘根据本发明实施例的图2B的转子-定子结构的另一端视图，其说明定位在极面邻近处的圆锥形磁体；

图5A和5B描绘说明根据本发明至少一个实施例的示范性磁通量路径的截面图；

图5C描绘根据本发明一个实施例的退出生成安匝磁通量的定子构件的极面的第二通量路径的实例；

图5D描绘根据本发明一个实施例的进入图5C的最初生成安匝磁通量的作用场磁极构件的极面的第二通量路径的实例；

图5E和5F描绘说明根据本发明实施例的另一转子-定子结构中示范性磁通量路径的截面图；

图6A和6B说明根据本发明另一实施例的另一示范性转子-定子结构的端视图；

图6C描绘根据本发明一个实施例的图6A和6B的转子-定子结构的部分截面图；

图7A到7E说明根据本发明各种实施例的场磁极构件的实施方案的实例；

图8说明根据本发明特定实施例的具有偏斜极面的另一示范性场磁极构件；

图9A到9P说明根据本发明各种实施例的可在示范性转子-定子结构中实施的其它形状的永久磁体的实例；

图10展示根据本发明实施例的多极磁体；

图11A到11C描绘根据本发明各种实施例的其它示范性转子-定子结构；

图12A到12D说明根据本发明各种实施例的实施圆柱形磁体的另一转子-定子结构；

图13A到13D说明根据本发明各种实施例的仅实施一个磁体的其它转子-定子结构的实例；

图14和15描绘根据本发明各种实施例的两个以上磁体的实施方案的实例；

图16描绘根据本发明一个实施例的针对其场磁极构件具有偏斜定向的转子-定子结构的替代性实施方案；

图17A和17B说明根据本发明特定实施例的场磁极构件的实例；

图18A描绘根据本发明至少一个实施例的具有各种均匀度的气隙；

图18B描绘根据本发明实施例的气隙的可配置性；

图19是说明根据本发明又一实施例的又一通用场磁极构件配置的横截面图；和

图20说明根据本发明一个实施例的用以代表场磁极构件的极面之间的磁通量实例的示范性通量线。

在附图的若干视图中，相同参考标号始终指代相应部分。注意，大部分参考标号包括一个或两个最左数字，所述数字大体上标识首先引入所述参考数字的图式。

具体实施方式

定义

以下定义适用于相对于本发明某些实施例描述的某些元件。这些定义可在此处类似地延伸。

如本文使用，术语“气隙”指的是磁体表面与所面对极面之间的空间或间隙。此类空间可在物理上描述为至少由磁体表面和极面的区域界限的容积。气隙起作用以实现转子与定子之间的相对旋转，且界定通量交互作用区。虽然气隙通常由空气填充，但无需如此限制。

如本文使用，术语“护铁”通常描述经常用于完成原本断开的磁路的物理结构(以及造成所述物理结构的材料)。明确地说，护铁结构一般仅用于将磁通量从一个磁路元件传送到另一磁路元件，例如从一个磁导场磁极构件传送到另一磁导场磁极构件，或从第一磁体的磁极传送到第二磁体的磁极，或者此两种情况，而在场磁极构件或磁极之间没有插入安匝生成元件(例如线圈)。此外，一般不形成护铁结构来容纳相关联的安匝生成元件(例如一个或一个以上线圈)。

如本文使用，术语“线圈”指的是经布置以电感耦合到磁导材料以产生磁通量的导体连续卷绕组合。在某些实施例中，术语“线圈”可描述为“绕组”或“线圈绕组”。

如本文使用，术语“线圈区”一般指的是线圈缠绕于其周围的场磁极构件的一部分。

如本文使用，术语“铁心”指的是场磁极构件的一部分，所述场磁极构件中线圈通常设置在极靴之间且一般由磁导材料形成以提供磁通量路径的一部分。

如本文使用，术语“场磁极构件”一般指的是由磁导材料组成且经配置以提供可围绕其缠绕线圈的结构的元件(即，所述元件经配置以出于生成磁通量的目的而收容线圈)。在某些实施例中，场磁极构件包括铁心(即，铁心区)和至少两个极靴，所述极靴的每一者一般位于铁心的各个末端处或其附近。但在其它实施例中注意到，场磁极构件包括铁心和仅一个极靴。不存在多个的情况下，场磁极构件未经配置以生成安匝通量。在某些实施例中，术语“场磁极构件”可一般描述为“定子-铁心”。在某些实施例中，场磁极构件一般具有细长形状，以使得场磁极构件的长度(例如，场磁极构件的末端之间的距离)一般大于其宽度(例如，铁心的宽度)。

如本文使用，术语“作用场磁极构件”指的是铁心、一个或一个以上线圈和至少一个极靴的组合。明确地说，作用场磁极构件可描述为与一个或一个以上线圈组合以可选择性地生成安匝通量的场磁极构件。在某些实施例中，术语“作用场磁极构件”可一般描述为“定子-铁心构件”。

如本文使用，术语“铁磁材料”指的是一般展现磁滞现象且其磁导率取决于磁化力的材料。并且，术语“铁磁材料”也可指代相对磁导率大于单位磁导率且取决于磁化力的磁导材料。

如本文使用，术语“场交互作用区”指的是其中从两个或两个以上来源产生的磁通量以可相对于那些来源而产生机械力和/或转矩的方式向量地进行交互作用的区。一般来说，术语“通量交互作用区”可与术语“场交互作用区”互换使用。此类来源的实例包括场磁极构件、作用场磁极构件和/或磁体，或其某些部分。虽然场交互作用区通常在旋转机械用语中被称为“气隙”，但场交互作用区是描述其中来自两个或两个以上来源的磁通量向量地进行交互作用以相对于那些来源产生机械力和/或转矩的区的更广义术语，且因此不限于气隙的定义(即，不限于由磁体表面和极面的区域以及从所述两个区域之间的外围延伸的平面所界定的容积)。举例来说，场交互作用区(或其至少一部分)可位于磁体内部。

如本文使用，术语“发电机”一般指的是经配置以将机械能转换为电能而不管(例如)其输出电压波形的电动力机。由于可类似地定义“交流发电机”，因而术语发电机在其定义中包括交流发电机。

如本文使用，术语“磁体”指的是在其自身外部产生磁场的主体。因而，术语磁体包括永久磁体、电磁体和类似物。

如本文使用，术语“马达”一般指的是经配置以将电能转换为机械能的电动力机。

如本文使用，术语“磁导”是一般指代那些在通量密度(“B”)与施加磁场(“H”)之间具有磁性可定义关系的材料的描述性术语。另外，希望“磁导”为包括(不限于)铁磁材料、粉末金属、软磁体组合物(“SMC”)等的广义术语。

如本文使用，术语“极面”指的是极靴的一个表面，所述表面面对通量交互作用区(以及气隙)的至少一部分，从而形成通量交互作用区(以及气隙)的一个边界。在某些实施例中，术语“极面”可一般描述为“定子表面”或“通量交互作用表面”的至少一部分，或者这两者。

如本文使用，术语“极靴”指的是场磁极构件中有利于定位极面以使得其面对转子(或其一部分)从而用于成形气隙且控制其磁阻的那部分。场磁极构件的极靴一般位于在线圈区处或其附近开始且在极面处终止的铁心的每个末端附近。在某些实施例中，术语“极靴”可一般描述为“定子区”。

如本文使用，术语“软磁体组合物”(“SMC”)指的是部分由绝缘磁体颗粒组成的那些材料，例如可经模制以形成本发明转子-定子结构的元件的绝缘体涂覆铁粉金属材料。

如本文使用，术语“过渡区”指的是极靴中有利于将通量路径的一段(例如，在铁心区内)偏移或转移到所述通量路径的另一段(例如，在极靴内)的可选部分。一个或一个以上极靴可实施过渡区来改进马达容量利用(例如，通过在更靠近旋转轴线处以紧凑配置放置线圈)。具体地说，过渡区将场磁极构件的磁阻保持得相对较低，且同时有利于构成电动力机的元件的紧凑。此类元件包括轴、场磁极构件、磁体等。

论述

图2A是根据本发明特定实施例的示范性转子-定子结构的分解图。图2A描绘转子组合件261，其包括至少两个安装在轴225上或附加到轴225的圆柱形磁体226a和226b，所述圆柱形磁体226a和226b的每一者分别具有圆柱形的磁体表面(或至少其若干部分)224a和224b。在本发明各种实施例中，可实施除圆柱体之外的形状(例如圆锥体)以实践转子-定子结构250。图2A还描述场磁极构件205a、205b和205c，其分别具有用以面对磁体表面224a的若干部分的极面209a、209b和209c。注意，未展示或标识所有极面。

在各种实施例中，每个场磁极构件205经配置以通过至少最小化穿过场磁极构件的磁通量路径的长度而针对电马达实施方案增加每单位尺寸(或每单位重量)生成的转矩。另外，场磁极构件205提供笔直或大致笔直的通量路径(或其段)，以最小化磁通量的线性偏离。通常，所述路径段大体上平行于旋转轴线。因此，与需要磁通量在场磁极区之间围绕周边急剧转弯(例如以九十度(或大约九十度)的角度)的常规磁返回路径设计相比，通过实施笔直或大致笔直的路径，那些场磁极构件中的每一者提供相对较低磁阻的通量路径。因而，某些实施例中转子-定子结构可实施笔直或大致笔直的路径，以使得电动力机能够以降低的磁损耗和增加的效率进行操作。接下来描述本发明转子-定子结构的各种替代实施例和特征。虽然图2B到11说明一般实施圆锥形磁体的转子-定子结构，但以下描述可适用于具有其它形状的磁体或其等效物。

图2B是根据本发明特定实施例的示范性转子-定子结构的分解图。在此实例中，转子-定子结构200包括转子组合件202和许多作用场磁极构件204(即，作用场磁极构件204a、204b和204c)，藉此作用场磁极构件204经配置以磁性耦合到转子组合件202的磁体且驱动所述磁体。转子组合件202包括两个圆锥形磁体220a和220b，所述圆锥形磁体安装或附加到轴222，以使得圆锥形磁体220a上的圆锥形磁体表面221a的至少一部分面对圆锥形磁体220b上的圆锥形磁体表面221b的至少一部分。明确地说，圆锥形磁体220a和220b的较小直径的末端(即，在最接近圆锥顶点处(如果存在圆锥顶点)，或在最接近圆锥的概念顶点处(如果另外由于(例如)圆锥截断的缘故而不存在圆锥顶点))面向彼此。另外，圆锥形磁体220a和220b各定位成与作用场磁极构件204的一组末端相邻。在本发明各种实施例中，圆锥形磁体表面221a和221b各具有相对于旋转轴线的倾斜角度，其中所述角度从约5度到约85度。在特定实施例中，所述倾斜角度可从约10度到约80度。在至少一个实施例中，举例来说，当圆锥形磁体220a和220b由相对较高性能的磁体材料(例如，最大能量乘积和“Br”的值相对较高且矫顽性较高的磁体，如下文描述)组成时，倾斜角度为相对于旋转轴线的约30度。在各种实施例中，轴222可由磁导材料组成，而在其它实施例中，其可由非磁性和/或非导电性材料制成。因而，转子-定子结构200不需要轴222来形成通量路径；根据本发明至少一个实施例，作用场磁极构件204和圆锥形磁体220a及220b足以形成通量路径。

每个作用场磁极构件204包括场磁极构件206和包裹在个别场磁极构件206周围的绝缘线圈208。场磁极构件206定位成与旋转轴线同轴，所述旋转轴线可由轴222的轴界定。线圈208a、208b和208c分别大体上围绕场磁极构件206a、206b和206c的中心部分而缠绕，以当用电流激励线圈208时，在场磁极构件206中产生安匝生成的磁通量。在至少一个实施例中，一个或一个以上作用场磁极构件204构成(至少部分)定子组合件(未图示)。在作用场磁极构件204的每个末端区处是极面207，所述极面207的每一者位于与圆锥形磁体220a和220b的圆锥形磁体表面的至少一部分的相邻处且面对所述圆锥形磁体表面的所述至少一部分，从而在磁体表面(或其部分)与极面之间界定功能气隙。根据本发明特定实施例，极面207经塑轮廓以模拟磁体表面，例如圆锥形磁体220a的表面。举例来说，极面207b是曲率与圆锥形磁体220a的凸面的曲率相似的凹面。在本发明的一个实施例中，可选的延伸末端(例如延伸末端211b)从场磁极构件206纵向延伸，以延伸越过和/或经过圆锥形磁体220a和220b的外表面。作为另一实例，延伸末端217b经配置以延伸经过圆锥形磁体220b的外表面以插入到一个沟槽242中，以构造转子-定子结构200。但注意，在某些实施例中，缺少延伸末端211b以及场磁极构件206的其它延伸末端，从而允许极面207面对圆锥形磁体220a和220b，所述圆锥形磁体220a和220b使其较大直径的末端(其中一个末端与外磁体表面223a重合或最接近外磁体表面223a)延伸到或超过与场磁极构件206的外表面相关联的径向距离。

由于转子组合件202或所述许多作用场磁极构件204可经配置以相对于另一者旋转，所以转子-定子结构200可视情况包括轴承230以及前安装板240和后安装板248两者。在特定实施例中，安装板240和248可由非磁性和/或非导电性材料制成。安装板240和248中的空腔244经设计以容纳轴承230，且沟槽242经设计以容纳作用场磁极构件的延伸末端(例如延伸末端217b)的至少一部分。在某些情况下，沟槽242限制作用场磁极构件204的运动，以维持相对于转子组合件202的恰当位置。可添加保护罩(未图示)，以保护转子组合件202和场磁极构件204两者，且还可充当用于一个或一个以上线圈208的散热片。尽管实施所述示范性转子-定子结构200是有用的，但本发明的各种实施例不限于包括安装板240和248以及轴承230和沟槽242，特别是在根据本发明实施例生成通量路径的时候。

注意，尽管每个场磁极构件206展示为由绝缘线圈208包裹，但根据特定实施例，少于全部的场磁极构件206可由线圈208包裹。举例来说，可分别从作用场磁极构件204b和204c处省略线圈208b和208c，以形成(例如)制造成本低于包括线圈208b和208c时的电动力机。不具有线圈208b和208c时，构件204b和204c构成场磁极构件而并非作用场磁极构件。还注意到，尽管场磁极构件206a、206b和206c被展示为笔直场磁极构件，但不需要场磁极构件206a、206b和206c为笔直或大致笔直的。在某些实施例中，场磁极构件206a、206b和206c中的一者或一者以上可经定形以在场磁极构件中实施过渡区(如下文描述)，以在不同于笔直通量路径的路径中传送通量。举例来说，场磁极构件206a、206b和206c可经定形以将线圈208定位成更靠近轴222，从而减少实施转子-定子结构200的电动力机的体积。

在至少一个特定实施例中，一个或一个以上作用场磁极构件204中的每一者仅包括一个或一个以上线圈208和一场磁极构件(例如206a、206b和206c中的任一者)。在某些情况下，作用场磁极构件204可包括带子、纸张和/或油漆或者不为缠绕在场磁极构件周围的线圈绕组添加实质支撑的类似物。一般来说，一个或一个以上线圈208的绕组直接缠绕在场磁极构件本身上。一个或一个以上线圈208的导体可一般包括绝缘体。但在此特定实施例中，每个作用场磁极构件204不包括任何其它中间结构(例如线圈承载器结构)，所述中间结构在制造过程中需要额外材料成本和劳动力。

图3描绘根据本发明一个实施例的转子-定子200的端视图300，其说明经配置以经由气隙而与面对的圆锥形磁体220a的磁体表面进行交互作用的极面的定向。图3中缺少前安装板240、轴承230和圆锥形磁体220a，其全部均已省略以描绘作用场磁极构件和线圈形状两者的端视图，以及场磁极之间的场磁极间隙(“G”)。如图所示，线圈208a、208b和208c分别包围场磁极构件206a、206b和206c以形成作用场磁极构件204a、204b和204c，所有所述作用场磁极构件均经紧凑定位以增加实施转子-定子结构200的马达或发电机的封装密度(与使用通常使用图1的槽108缠绕的线圈绕组的常规马达相比)。图3还描绘延伸末端311a、311b和311c的边缘以及个别作用场磁极构件204a、204b和204c的极面307a、207b和207c。极面307a、207b和207c经定位以在那些极面或表面的每一者与圆锥形磁体220a的圆锥形磁体表面的至少一部分之间形成磁性气隙。另外，场磁极间隙由构成作用场磁极构件204a、204b和204c的场磁极构件的侧边(或边缘)界定。举例来说，间隙“G”代表(例如)由从个别场磁极构件206b和206c(图2B)的侧边延伸的平面310和320界定的场磁极间隙中的任一者。在至少一个特定实施例中，与极面307a、207b和207c中每一者相关联的表面区域经尺寸设计而以最佳配置来生成最大转矩输出。此类配置的实例是，其中在圆锥形磁体220a与场磁极构件206a、206b和206c之间的磁性耦合具有最大量或接近最大量，而场磁极构件之间的间隙“G”上的泄漏具有最小量或接近最小量。注意，通过增加极面307a、207b和207c中任一者的表面区域，增加磁性耦合。

图4描绘根据本发明实施例的转子-定子200和定位在极面307a、207b和207c(图3)相邻处的圆锥形磁体220a的另一端视图400。如图所示，圆锥形磁体220a的外磁体表面223a是可见的，如延伸末端311a、311b和311c的突出边缘和线圈208。注意，尽管此实例展示圆锥形磁体220a为具有北极(“N”)和南极(“S”)的双极磁体(例如，永久磁体)，但圆锥形磁体220a可具有任何数目的北极和南极。注意，在某些实施例中，圆锥形磁体220a和220b可使用电磁体来实施。并且，图4界定三个截面图。第一截面图X-X笔直切割穿过作为对分场磁极构件206a和线圈208a的中心线，且接着经由磁体220a穿过其它场磁极构件206b与206c之间的场磁极间隙。第二截面图Y-Y对分场磁极构件206a和线圈208a，且接着经由磁体220a穿过场磁极构件206b和线圈208b。第三截面图Y′-Y′(类似于第二截面图Y-Y)对分场磁极构件206a和线圈208a，且接着经由磁体220a穿过场磁极构件206c和线圈208c。截面图X-X在图5A中展示，而视图Y-Y和Y′-Y′产生类似图式，其两者均在图5B中描绘。

图5A和5B描绘根据本发明至少一个实施例的说明示范性磁通量路径的截面图。图5A描绘转子-定子结构500的作用场磁极构件204a的横截面，所述横截面展示线圈208a和场磁极构件206a的截面图X-X。在此实例中，作用场磁极构件204a包括极面307a和505b、极靴507a和507b、线圈区506和线圈208a。在图5A的视图X-X中，圆锥形磁体220a与220b以相反的方向在直径方向上磁化，且经定位在与场磁极构件206a的个别极靴507a和507b相邻处。相应地，极靴507a的极面307a与图2B的磁体表面221a的至少一部分521a形成磁性气隙551a，其中部分521a面对极面307a且展示为横截面。类似地，极靴507b的极面505b与图2B的磁体表面221b的至少一部分521b形成磁性气隙551b，其中部分521b面对极面505b且展示为横截面。注意，部分521a和521b无需分别延伸圆锥形磁体220a和220b的轴向长度。举例来说，部分521a和521b可由界限在圆锥形磁体220a和220b的最大与最小横截面直径之间的区界定，但可具有任何尺寸。因此，根据至少一个实施例，部分521a和521b仅需要与极面形成气隙，其中圆锥形磁体220a和220b的其它表面部分经配置以不形成气隙。另外，线圈208a围绕场磁极构件206a的线圈区506，藉此线圈区506近似地由围绕场磁极构件206a的一部分的线圈208a的轴向长度界定。图5A中缺少一个或一个以上场交互作用区的描述，所述场交互作用区可包围比气隙(例如气隙551a)更大的空间，且可延伸到(例如)圆锥形磁体220a中。

在本发明至少一个实施例中，个别圆锥形磁体220a和220b上的表面的磁体部分521a和521b中的至少一者可界定为由倾斜角度(“θ”)501界限，所述倾斜角度501是相对于旋转轴线的角度。在所示实例中，旋转轴线与轴222相连。在特定实施例中，倾斜角度(“θ”)501与轴222成30度。但注意，角度501可为任何角度。

通过相反极化，圆锥形磁体220a经极化使其北极(“N”)朝向方向502，且圆锥形磁体220b经极化使其北极(“N”)朝向方向504。在某些实施例中，圆锥形磁体220a和220b以完全相反的方向(即，方向502与504之间成180度)在直径方向上磁化。但在其它实施例中，方向502和504可偏移成那些方向之间的除180度外的任何角度，(例如)以降低定位转矩(“顿转”)。在特定实施例中，方向502和504偏移到从约150度到约180度之间的角度。在各种实施例中，圆锥形磁体220a和220b(或其它类型的磁体)每一者经极化以具有在一个或一个以上大致垂直于旋转轴线的平面中的极化方向。

图5B描绘根据本发明一个实施例的作用场磁极构件204a以及图3的作用场磁极构件204b或作用场磁极构件204c的横截面，且描绘磁通量路径。为易于论述起见，将仅论述视图Y-Y。视图Y-Y是穿过线圈208b与场磁极构件206b的线圈208a与场磁极206a截面图。磁通量路径560穿过场磁极构件206a和206b两者且穿过圆锥形磁体220a和220b两者。出于说明目的，可将磁通量路径560(或通量路径)描述为包含两个通量路径，所述两个通量路根据叠加原则进行组合。圆锥形磁体220a和220b形成第一通量路径(即，永久磁体生成通量)，而由线圈的安匝产生的通量形成第二通量路径(即，安匝生成通量)。在此实例中，磁体通量(如第一通量路径)从圆锥形磁体220a的北极(“N”)离开，且横穿气隙551a以进入极面307a(图3)，所述北极与表面部分521a重合，所述表面部分521a面对极面307a。第一通量路径接着纵向横穿穿过场磁极构件206a，且接着在场磁极构件206a的与圆锥形磁体220b相邻的末端处离开极面505b。第一通量路径通过横穿气隙551b而继续，且进入圆锥形磁体220b的南极(“S”)，所述南极大体上与磁体表面221b的表面部分521b(面对极面505b)重合。第一通量路径穿过圆锥形磁体220b而到达其北极，所述北极与磁体表面221b中面对极面213b的表面部分561b重合。接下来，第一通量路径横穿气隙551c，且进入极面213b(图2B)。从那里，第一通量路径通过场磁极构件206b返回到其离开的极面207b，横穿气隙551d，且接着进入圆锥形磁体220a的南极，从而完成第一通量路径。一般来说，圆锥形磁体220a的南极与磁体表面221a(图2B)中面对极面207b的表面部分561a重合。注意，在所示情况中，离开极面207b的通量等同于离开极面207c的所述通量。注意，不需要要求任何补充结构或材料来形成磁通量路径560的任何部分。因而，转子-定子结构550不包括护铁。

在特定实施例中，圆锥形磁体220a和220b的直径经设置以使得圆锥形磁体220a和220b每一者中的通量路径长度相对于四个气隙551a到551d来说相对较长，从而建立有利的磁体负载线。注意，所述四个气隙551a到551d中的每一者提供通量交互作用区以有利于极面与磁体之间(或穿过极面和磁体)的磁通量交互作用。进一步注意，圆锥形磁体220a或220b中的通量路径展示为沿着磁化轴对准(即，从南极到北极)，这可有助于低磁体制造成本和每单位体积(或尺寸)可生成相对较高输出转矩的磁体。可通过使用用于特定应用的恰当磁体材料来最佳地选择磁体的矫顽性，所述矫顽性是确定磁体将在强外部磁场影响下如何保持其内部通量对准的磁体性质。

在至少一个实施例中，转子-定子结构550(图5B)生成磁通量路径560的至少一部分，所述部分从大约第一圆锥形磁体220a的磁体表面的表面部分521a大致线性延伸到大约第二圆锥形磁体220b的磁体表面的表面部分521b。在一个例子中，磁通量路径的所述部分本质上由第一圆锥形磁体220a的表面部分521a、第二圆锥形磁体220b的表面部分521b、场磁极构件中的至少一者(例如场磁极构件206a)和两个或两个以上气隙(例如气隙551a和551b)构成。

在本发明至少一个实施例中，圆锥形磁体220a和220b可至少具有以下两个磁性质。第一，圆锥形磁体220a和220b能够产生磁通量(例如在通量密度“B”方面以高斯CGS单位测量)。“CGS”指的是按照厘米、克和秒描述的单位。第二，圆锥形磁体220a和220b的磁体材料使得磁体抵抗去磁。能够高度抵抗去磁的材料经常被描述为具有“高矫顽性”，如此项技术中众所周知。适当值的去磁场可用于将特定磁体材料通量密度输出驱动到零。因而，矫顽性值相对较高的磁体材料一般指示磁体材料能够经受住较大值的逆外部磁场强度，而不遭受去磁作用。在特定实施例中，圆锥形磁体220a和220b由回复磁导率值相对较靠近1.00且在操作条件下具有充分矫顽性Hd以便在适度预期的操作条件下可靠的磁体材料组成。

通常磁体材料的特征部分在于此类材料的最大能量乘积。另外，磁体材料的特征可在于“Br”，其是在闭路中测量且没有任何测得的外部磁场正施加到磁性材料时从所述磁体材料输出的磁通量密度。所述最大通量密度值常常被表示为“Br”。较高Br值指示磁体材料能够在每个极区中具有较大磁通量产生(即，高通量密度)。在至少一个实施例中，圆锥形磁体220a和220b使用在相对较小的装置体积中需要相对较高转矩的配置中具有高通量产生能力(例如，具有较高“Br”值)的磁体。

在各种实施例中，圆锥形磁体220a和220b(或其它磁体)使用高Br值磁体，所述高Br值磁体可在轴向方向上相对较短，且使用与旋转轴线成(例如)约30度的圆锥角度。但在某些实施例中，圆锥形磁体220a和220b(或适于实践本发明的其它磁体)使用具有较低成本和较低Br值的磁体材料。在此情况下，磁体一般实施为具有面积相对大于与较大Br值相关联的那些气隙的气隙。明确地说，气隙的增加面积通过增加磁体的轴向长度从而增加面对个别极面的磁体表面的表面积而形成。因而，可使用相同外径装置(例如，马达罩)中的较小圆锥角度(例如，小于30度)，尽管在轴向方向上较长。虽然输出转矩性能和Km可在许多实施例中保持相同，但制造成本可在低Br值型式中较少，即使可能存在轴向长度增加。

尽管本发明各种实施例涵盖大量使用任何已知可用磁体材料的设计马达和/或发电机设计，但至少一个实施例使用B值与逆施加场强度H值的比率较低的磁体材料，其中如通常在许多磁体材料数据单中所指定的那样在个别材料的Br点处测量所述比率，那些比率界定此类材料的“在Br处的回复磁导率”。尽管在某些情况下磁体材料不需要仅限于高矫顽性值，但磁体材料应在受到期望的逆磁场或热条件时展现可预测的输出通量密度。因而，“回复磁导率”的值可为当设计使用本发明转子-定子结构的马达和/或发电机时的至少一个因数。

回复磁导率一般是B值与逆施加场强度值之间的关系的表达。回复磁导率的值通常按照CGS单位来估计(因为空气的磁导率以CGS单位为1.0)，且可通过用逆施加场强度值(例如，H，在Hc附近或在Hc处，以奥斯特表达)除B值(例如，以高斯表达)(在Br附近或在Br处)来确定。对于某些磁体材料，可确定平均回复磁导率值，且所述值可用于磁体材料选择。在一个实施例中，可通过由国际磁学协会(“IMA”)维持的磁性材料生产者协会(“MMPA”)标准0100-00，为各种磁性材料界定回复磁导率。注意，还可按照MKS单位(即，米、千克和秒)来描述回复磁导率。

一般来说，回复磁导率值在以CGS单位表达时不小于一。然而，回复磁导率值越接近1.0，针对特定测量材料，矫顽性可能越高。在本发明大多数实施例中，回复磁导率值通常小于1.3。典型的高矫顽性磁体材料(例如由钕-铁“NdFe”构成的磁体和其变体)可具有以CGS单位约1.04的回复磁导率值。来自各种供应商的回复磁导率值的实例为如下：针对级别32H为1.036(由Hitachi，Ltd.制造)；针对级别35H为1.028(由Magnetic Component Engineering，Inc.或“MCE”制造)；和针对级别22H到33H为1.02，以及针对级别35SA到N52为1.05(由Shin-Etsu Magnetics Inc.制造)。此类变体的实例是钕-铁-硼或“NdFeB”。常用低成本陶瓷磁体(例如由铁素体陶瓷构成的那些磁体)可具有约1.25的比率值，这允许陶瓷磁体在大多数应用中充分起作用。注意，典型高性能陶瓷磁体的平均回复磁导率以CGS单位通常在1.06到1.2左右的范围内。来自一个供应商(Hitachi，Ltd.)的示范性值为如下：针对各向同性等级YBM3为1.2，且针对各向异性等级YBM1和2为1.06。本发明各种实施例中的永久磁体可包含所属领域的技术人员已知的任何磁性材料。此类磁体材料的实例包括一种或一种以上此项技术中已知的稀土磁体材料(例如钕铁硼(“NdFeB”)、钐钴(“SmCo”)和两者的变体)以及陶瓷磁体。

缠绕在场磁极构件206的每一者周围的线圈208形成第二通量路径。在此实例中，由图5B的线圈208a和208b中的安匝生成的通量在与永久磁体通量类似的路径中行进，不同之处是圆锥形磁体220a和220b(图2B)和圆柱形磁体226a和226b(图2A)具有与空气的有效性质类似的有效性质(如由安匝生成的通量观察)。因而，场磁极构件206a内生成的安匝通量(例如，在线圈区506内)存在于与图5A和5B的圆锥形磁体220a和220b以及图2A的圆柱形磁体226相邻的极面处。注意，线圈208(作为导体)可以是具有圆形横截面或任何其它形状(例如正方形或长方形)的电线。

在至少一个特定实施例中，线圈208可包括箔导体，所述箔导体是具有宽度相对较大且高度相对较小的长方形横截面的导体。可使用层间具有绝缘体的箔导体来代替电线，以在相同可用的绕组体积中减小绕组阻抗且增加电流处理容量。使用箔导体还可减少绕组的电感。在一个实施例中，绝缘体附加到箔的一个侧面，以隔离在铁心周围的随后绕组中的箔导体。也就是说，仅需要使箔导体的一个侧面绝缘，因为所述一个侧面使箔导体(或箔线圈)的先前缠绕部分的非绝缘侧面绝缘。有利地，这降低了线圈208所需的绝缘体量，从而节省资源，增加封装密度，且在原本由完全绝缘的导体(即，在所有侧面上均绝缘，例如绝缘电线)填充的空间中增加安匝数目(且同时减少导体匝数)。因为箔导体还提供相对较小的弯曲半径，所以可借此减少具有较尖锐弯曲的导体中通常常见的绕组阻抗。通过减小阻抗，此类型的导体也可在生成安匝通量中、尤其是在电池供电的马达应用中节省功率。

图5C描绘根据本发明一个实施例的第二通量路径的实例，所述第二通量路径离开生成安匝磁通量的作用场磁极构件的极面。在此图中，安匝(“AT”)生成通量在作用场磁极构件204a中生成，且接着从图5C的极面513a(或如图5B中展示为极面505b)离开，且同时近似对半划分以形成通量570a和570b。接着，安匝通量570a进入极面213b，且安匝通量570b进入极面513c。接着，第二通量路径的个别部分纵向行进穿过其它场磁极构件(例如，场磁极构件206b和206c)而到达那些其它场磁极构件的其它末端，以返回到最初生成所述第二通量路径的作用场磁极构件204a。

图5D描绘根据本发明一个实施例的第二通量路径的实例，所述第二通量路径返回到生成安匝磁通量的作用场磁极构件的极面。如图所示，安匝磁通量570c和570d离开个别极面207b和207c而进入极面307a，从而完成第二通量路径的磁路(即，安匝磁通量路径)。

在概念上，可将由图5D中作用场磁极构件204a、204b和204c的每个场磁极构件中的安匝生成的磁场视为作用场磁极构件的末端区或极靴处的每个极面处的磁位区。根据本发明至少一个实施例，在圆锥形磁体的面对表面与其相邻极面之间的气隙中，第一通量路径的通量和第二通量路径的通量以所属领域的技术人员熟悉的方式进行交互作用，其中此类交互作用可用于通过实施转子-定子结构200的电马达生成转矩。转子-定子结构200的第一和第二通量路径至少部分是有效的，因为通量通过穿过线圈208的电流而包含在场磁极构件206的铁心区506(图5A)内。由圆锥形磁体220a和220b的每一者生成的磁体通量在通量交互作用区中与来自作用场磁极构件204的极面的磁通量进行交互作用。因而，通量泄漏路径一般限制于极靴507a和507b(图5A)处的相对非常小的区，所述极靴507a和507b两者包括场磁极构件206的侧面和背面。因为第一和第二通量路径在场磁极构件206的磁导导材料中也几乎是笔直的，所以这些场磁极构件非常适合于用各向异性(例如，晶粒取向)的磁性材料以有效方式来实施。因此，场磁极构件206可由任何各向异性的磁性材料构成，与使用各向同性的非晶粒取向磁性材料相比，所述各向异性材料能够承载较高通量密度且降低磁定向方向上(例如沿着晶粒取向材料的晶粒)的磁损耗。

为进行说明，考虑示范性各向异性(例如，晶粒取向)材料可具有至少20,300高斯的磁饱和值，而典型各向同性叠片材料可具有19,800高斯的饱和值。用于实践本发明至少一个实施例的适当各向异性材料的实例为等级M6材料，如美国钢铁学会(“AISI”)界定。各向同性材料的实例是M19材料，如由AISI指定。此外，与需要460奥斯特的各向同性材料相比，各向异性材料仅需要126奥斯特的施加场来达到饱和。各向异性的晶粒取向材料(例如，0.014英寸厚的叠片)的铁心损耗针对平轧的晶粒取向的硅-铁钢，在60Hz和15,000高斯电感下可为约0.66瓦每磅。相反地，典型的各向同性材料(例如AISI叠片材料M19)在类似条件(例如，以0.0185英寸的厚度)下可具有约1.72到1.86瓦每磅的铁心损耗。鉴于前述内容，使用各向异性材料来形成场磁极构件206优于使用各向同性材料。根据至少一个实施例，与传统马达的磁通量路径不同，场磁极构件206的相对笔直形状实现各向异性材料的有效使用。

与常规马达的输出转矩生成不同，本发明各种实施例的转子-定子结构200所生成的输出转矩无需与从轴222的旋转轴线到作用气隙551a到551d(图5B)的半径成比例。在所有其它因数为相同的情况下，增加极面和气隙与轴222的径向距离不以传统马达设计公式所指示的方式改变输出转矩。举例来说，传统马达设计概念教示承载安匝通量的区应经设计以具有低磁阻路径，包括安匝磁通量路径中为气隙的部分。根据本发明各种实施例，安匝通量路径具有穿过由永久磁体(例如圆锥形磁体220)占据的空间的相对较高磁阻的路径，但与具有相同尺寸或重量(同样，其它因数也相等)的大多数传统马达的峰值转矩产生相比，其峰值转矩产生相对较高。在特定实施例中，构成图2B的圆锥形磁体220a和220b和/或图2A的圆柱形磁体226的磁体材料具有与空气的磁导率值类似的磁体磁导率值，且因而，每个圆锥形磁体220a和220b或圆柱形磁体226的体积呈现为安匝磁路的额外气隙。在至少一个实施例中，电动力机生成的输出转矩整体或部分地与圆锥形磁体220a和220b的体积成比例，或与圆柱形磁体226的体积成比例。

在转子-定子结构200的操作中，依次激励线圈208以造成转子组合件202旋转。所激励的线圈在极面处生成磁位。这些磁位趋向于将磁体(例如，圆锥形磁体220)的内部场方向重新定向为所施加的外部场的方向。所述外部场实际上向圆锥形磁体220a和220b呈现角定向去磁场，以使得去磁场能够在实施转子-定子结构200的马达在高转矩负载下时达到相对较大的振幅。强去磁场可不利地重新磁化矫顽性不足的圆锥形磁体220a和220b的磁体材料。由于此原因，本发明至少一个实施例使用适于高转矩负载的磁体材料，且具有：(1)较低的B与逆施加场强度的比率，和(2)相对较低的回复磁导率，例如以CGS单位小于1.3。

在本发明的一个实施例中，所产生的转矩穿过磁体(例如圆锥形磁体220)的固有倾斜，以寻找最低能量位置。因此，圆锥形磁体220(其可为永久磁体)的磁极趋向于朝向最大磁吸引区且远离磁推斥区而旋转，藉此在所激励的作用场磁极构件204的两端处的气隙处由安匝生成的磁场建立此类“磁位”区。由于具有相对较高矫顽性的磁体将抵抗有角度地移位其内部磁场的方向的试图，因而此对角位移的抵抗被展现为永久磁体主体上的机械转矩，从而将转矩转移到轴。因而，磁体(例如，圆锥形磁体220)可产生转矩且接着将所述转矩转移到轴，作为施加到负载的有用输出转矩。

图5E和5F描绘说明根据本发明至少一个实施例的包括圆柱形磁体的另一转子-定子结构的示范性磁通量路径的截面图。图5E描绘转子-定子结构580的作用场磁极构件586a的横截面，所述横截面展示场磁极构件586a和圆柱形磁体590a和590b的截面图X-X。尽管极面、极靴、线圈区和线圈在功能上类似于图5A的类似命名的元件，但场磁极构件586a包括额外的结构和/或功能元件。也就是，场磁极构件586a包括过渡区588，所述过渡区的功能和结构在以下描述，例如在图17A到20中的一者或一者以上中描述。图5F描述类似于图5B的至少两个作用场磁极构件的截面图，且根据本发明一个实施例描述磁通量路径。类似于截面图Y-Y(如图5B中界定)，转子-定子结构592是场磁极586a和场磁极构件586b的截面图。磁通量路径594穿过场磁极构件586a和586b两者，且穿过圆柱形磁体590a和590b两者。还展示了过渡区588。注意，轴、极面、极靴、线圈区和线圈在功能上类似于图5B的类似命名的元件。

图6A、6B和6C说明根据本发明另一实施例的另一示范性转子-定子结构的端视图600。图6A和6B展示转子-定子结构的端视图600，而图6C是图6B的部分截面图A-A。图6A展示作用场磁极构件604每一者在各自场磁极构件606的末端处具有偏斜极面607。每个偏斜极面607具有定型表面，所述定型表面大体上追随相邻磁体(例如圆锥形磁体220a)的面对表面部分的定型表面的表面特征，以形成具有(例如)相对恒定气隙厚度的气隙。气隙厚度一般指的是极面上一点与磁体的面对表面上一点之间的正交距离。偏斜极面607至少部分由场磁极构件606的表面边缘和/或侧面界定，所述表面边缘和/或侧面相对于相邻磁体的磁化方向(例如，极化方向)稍微成角或偏斜。偏斜边缘和/或侧面在图6A中展示为第一偏斜边缘650和第二偏斜边缘652，其两者均经配置为场磁极构件606的边缘以在作用场磁极构件604布置在转子-定子结构中时形成偏斜场磁极间隙660。作为实例，考虑第一偏斜边缘650c经配置以相对于磁体(未图示)的至少一个极化方向630形成角度622。进一步考虑，第二偏斜边缘652b经配置以相对于极化方向630形成角度620。角度620、622可为相同角度或可为适于形成场磁极间隙660的任何其它角度，所述场磁极间隙660相对于一个或一个以上磁体的极化方向偏斜。注意，图6C是展示偏斜边缘经配置以使得磁极化平面631未与场磁极边缘650或场磁极边缘652中任一者对准的部分截面图。明确地说，场磁极边缘650c和场磁极边缘652b两者均未相对于磁化平面631对准(即，为偏斜的)。在至少一个实施例中，场磁极边缘650a和场磁极边缘652每一者与第一平面平行，所述第一平面与第二平面成角度，所述第二平面包括磁化平面631或平行于磁化平面631。

图6B是展示处于场磁极构件606两端处的偏斜极面边缘的端视图670。通过在转子-定子结构中实施图6A的偏斜场磁极间隙660，降低了定位转矩(“顿转”)。在至少一个实施例中，偏斜场磁极间隙660适合于与在直径方向上极化的永久磁体(例如圆锥形磁体220)一起使用。在此例子中，图6B的端视图670是展示极面607的端视图，所述极面607经配置以具有与相邻圆锥形磁体220a的表面轮廓类似的表面轮廓，极面607类似于图6A中展示的那些极面。图6B中还展示第一偏斜边缘680和第二偏斜边缘682，所述第一和第二偏斜边缘与处于场磁极构件606的另一末端处(例如，处于与第一偏斜边缘650和第二偏斜边缘652相关联的极靴相对的另一极靴处，如虚线指示)的极面相关联。此情况中的第一偏斜边缘680和第二偏斜边缘682的角度分别与第一偏斜边缘650和第二偏斜边缘652的那些角度类似，但面向与(例如)圆锥形磁体220b相关联的磁体表面。因而，由边缘650和652形成的场磁极间隙的角度方向与由边缘680和682形成的场磁极间隙的角度方向相反。因而，在直径方向上极化的磁体将大体上不与场磁极间隙对准，所述场磁极间隙的极面侧面类似于在平面310与320(图3)之间形成场磁极间隙“G”的那些极面侧面，所述不对准可成为电马达中顿转转矩的来源。注意，边缘650与652之间以及边缘680与682之间的距离可经配置为与使场磁极间隙的顿转作用最小化所必需的一样窄。在至少一个实施例中，第一偏斜边缘680和第二偏斜边缘682的角度可类似于第一偏斜边缘650和第二偏斜边缘652的那些角度。但边缘680和682位于与边缘650和652相同的各自平面中。有利地，这有助于平衡趋向于扭曲所述轴的转矩，且还有助于平衡从相对于场磁极构件606的偏斜边缘的磁体极化方向导出的轴向力。

图7A和7B说明根据本发明一个实施例的示范性场磁极构件。虽然场磁极构件206a、206b和206c中的每一者可由单个磁导材料片(例如，由金属注射模制过程、锻造、铸造或任何其它制造方法形成的片)组成，但这些场磁极构件也可由多个片组成，如图7A和7B中展示。图7A将场磁极构件206中的一者描述为由集成在一起的许多叠片704组成的堆叠场磁极构件700。在此例子中，堆叠场磁极构件700具有带有具弧形的圆柱形外径的外表面702和相对笔直的内表面706，以增加线圈封装密度，且同时为旋转轴线留下空间。场磁极构件末端区720大体上包括极面707，所述极面707用于与场磁极构件700的每个末端处的永久磁体的通量进行交互作用，而中央部分722(即，中央场磁极构件部分)大体上包括处于极面707之间的铁心区，例如线圈区506(图5A)。线圈(未图示)可或多或少缠绕在中央部分722周围。图7B是堆叠场磁极构件700和叠片704的透视图，所述叠片704可由各向异性材料组成。在此实例中，各向异性材料包括晶粒取向材料。

在至少一个实施例中，场磁极构件700包括中央场磁极构件部分722，所述中央场磁极构件部分具有外周边表面(例如外表面702)。外周边表面一般可与圆730的一部分一起围绕旋转轴线共同延伸，而不管场磁极是否由叠片构成。通过将场磁极构件的外周边表面形成为配合在圆或等效形状内，更为紧凑的转子-定子结构提供一种电动力机，所述电动力机的体积小于外周边表面与(例如)一正方形的一部分重合时的体积。如图7A中描绘，场磁极构件700包括叠片和位于第一通量交互作用表面(例如，极面707)与第二通量交互作用表面(例如，另一极面707)之间的中央场磁极构件部分722。在此实例中，外表面702由圆730的至少一部分限定，藉此一个或一个以上点(例如，点740a和740b)与圆730相交或接触圆730。在至少一个实施例中，可参考概念中间平面(其呈现为中线710)来描述场磁极构件700的结构。中线710在轴向方向上延伸，且将构成场磁极构件700的一些叠片大致分成两半(例如，包括从50/50到60/40的百分比)。相对于中线710的一侧，随着叠片定位在与中线710相距更远处，叠片大体上在至少一个维度上减小。注意，尽管不需要，但叠片可从由磁导材料所组成的衬底以有助于减少磁导材料废料的配置形成。但再次，废料不需要一定是本发明的叠片场磁极的每个实施例的设计中的所需因数。

图7C展示根据本发明至少一个特定实施例的场磁极构件的至少一中央部分的实例。注意，省略了具有定型极面的极靴，以便不混淆针对场磁极构件的至少所述中央部分的横截面的描绘。场磁极构件790由叠片792形成，且经配置为具有正方形形状因数，以增加场磁极横截面面积，这又增加可穿过场磁极构件790的磁通量的量。举例来说，正方形横截面区域794可比图7A的场磁极构件700的类椭圆形状横截面区域承载更多磁通量。图7C还展示可在至少一个实施例中实施的泪珠状横截面区域796。明确地说，泪珠状横截面区域796位于具有大致径向方向的平面中。此定向有助于随着场磁极构件790数量的增加来适应场磁极构件790。泪珠状横截面区域796可经配置以在特定组磁通量要求和马达的包壳限制内优化绕组(例如，铜导体)与构成场磁极构件790的材料(例如，铁)的比率。

还注意，可在图7A到7C中的任何场磁极中实施各种绕组图案，以增强性能。举例来说，慢跑的或全覆盖的绕组可在结构两端处覆盖场磁极构件700的大致所有侧面和/或背面，以减少可能从一个场磁极构件泄漏到另一场磁极构件的通量。因而，线圈的电线不需要缠绕在大体上与场磁极构件的长轴垂直的平面中，而是以倾斜角度缠绕。通过将线圈放置在靠近磁气隙处，那些线圈可更有效地减少(例如)极靴区中的通量泄漏。注意，上述绕组图案可应用于本文所述的任何场磁极构件。

图7D和7E说明根据本发明另一实施例的另一示范性场磁极构件。虽然类似于图7A，但图7D将场磁极构件586a和586b(图5F)中的一者描绘为堆叠场磁极构件770。如图所示，场磁极构件770由集成在一起的许多叠片774组成。场磁极构件末端区780大体上包括极面773，所述极面773用以与处于场磁极构件770的每个末端处的永久磁体的通量进行交互作用，而中央部分777(即，中央场磁极构件部分)大体上包括处于场磁极构件586a(图5E)的极面之间的铁心区。在末端780(在某些实施例中其可与极靴同义)处，场磁极构件770包括过渡区776。下文更详细描述这些过渡区。图7E是堆叠场磁极构件770和叠片774的透视图，所述叠片可由各向异性材料组成。在此实例中，各向异性材料包括晶粒取向材料。

图8说明根据本发明特定实施例的具有偏斜极面的另一示范性场磁极构件。如图所示，与堆叠场磁极构件700类似，堆叠场磁极构件800由许多叠片804构造而成。叠片804经图案化以提供偏斜极面807。极面807由第一偏斜边缘850和第二偏斜边缘852界限，而处于另一极靴处的另一极面807由第一偏斜边缘880和第二偏斜边缘882界限。注意，边缘850、852、880和882可分别对应于图6B的边缘650、652、680和682。还注意，边缘850和882可形成为分别与边缘880和852位于相同平面中，以平衡可能扭曲轴的转矩，且还平衡从相对于场磁极构件800的偏斜边缘的磁体极化方向导出的轴向力。在某些情况下，叠片804(以及叠片704)有利地可由单个衬底(例如，金属片或类似物)或若干不同衬底、以在制造期间使废料最少化的方式形成为(例如，冲压出)一系列类似或不同图案化的形状。衬底可为单个材料片或细长材料条带，其(例如)可从卷轴滚出。注意，例如叠片704(图7B)和804(图8)的制造不浪费通常在圆形定子结构中为形成圆形孔而抛弃的材料。

在某些实施例中，叠片704和804可由层压的各向异性(例如，晶粒取向)片料来组装，其中纵向地(例如平行于旋转轴线)定向磁定向方向。这使得可容易地将通量从马达一端轴向传导到另一端。叠片可彼此电绝缘，这可降低涡电流损耗。在一个实施例中，叠片704和804由晶粒取向钢组成，且用相对较低成本的材料来提供各种具有高磁导率、低损耗和/或高饱和度的场磁极构件。适于建构叠片704和804的一种各向异性材料是冷轧晶粒取向钢或“CRGO叠片钢”。为根据至少一个实施例说明使用晶粒取向叠片的优点，冷轧晶粒取向钢(例如厚度为0.014英寸的等级M6叠片(由AISI指定))可在遭受10,000高斯的施加场时具有50,000的典型磁导率。相比之下，各向同性叠片钢(例如，0.0185英寸厚的“M19”叠片)可在类似条件下具有约3700的典型磁导率。注意，磁导率(如上文描述)是就直流(“DC”)磁导率而言的。根据本发明各种实施例，场磁极构件可由多种不同磁导材料制成，所述材料例如硅铁合金、钢合金、铁合金、镍铁合金、钴镍合金、磁性合金粉末、软磁性合成物等。软磁性合成材料(也称为“SMC材料”)由压缩的电绝缘颗粒(其也为磁导的)组成。因而，在相对较高频率下与传统SiFe叠片材料相比时，SMC材料展现相对较低的涡电流损耗。SMC材料的另一重要优点在于其能够通过使用经恰当设计的压缩模具和冲模而在三个维度中形成。

图9A到9P说明根据本发明各种实施例的可在转子-定子结构中实施的其它形状的永久磁体的实例。虽然图2B中所示的磁体为圆锥形形状，但希望将术语“圆锥形”广义地理解成包括形成一个或一个以上表面或其部分的一个或一个以上形状，所述表面或其部分在同轴安装于轴上时与所述轴成一角度，以使得至少一个表面在延伸时将与旋转轴线相交。所以，术语“圆锥形磁体”涵盖至少一部分表面为圆锥形或朝向与旋转轴线同轴或在旋转轴线上的点而逐渐变小的任何磁体配置。举例来说，至少一种圆锥形磁体具有一个或一个以上表面，藉此在那些表面每一者处的磁体横截面大体上(或平均)沿着磁体的轴向长度逐渐增加或减小。在至少一个特定实施例中，用于描述圆锥形磁体表面的一部分的相关维度是表面边界，例如可相对于一条线而在空间中定向的定型表面区域。注意，图9E、9K和9L描绘圆柱形形状磁体，其不包括除圆柱形之外的面对表面(即，经配置以面对极面的表面)的至少一部分。因而，一般认为这些类型的形状不在视为圆锥形磁体的定义内。

图9A展示完全圆锥形状磁体作为圆锥形磁体的实例，而图9B描绘被描述为“直立圆锥的截顶体”的截断圆锥磁体的圆锥形磁体，其是通过切除直立圆锥的顶部而形成的截顶体(例如，所述切除形成与直立圆锥形磁体的下基底平行的上基底或其外表面)。注意，与图9A所示的锥角度不同的其它锥角度在本发明范围内。图9C展示圆锥形磁体可包括添加到大直径末端(或在某些情况下，添加到小直径末端，例如图9J中展示)以优化回路中的磁通量的圆柱形部分。图9D说明具有“阶梯”或分级形式的圆锥形磁体。图9F和9G展示根据本发明实施例的适于建构磁体的替代形状的实例，其中圆锥形磁体可为半球形形状的磁体。图9H和9I是展示各种实施例的圆锥形磁体可分别具有任何类型的凹面和/或任何类型的凸面的一般表示。

图9J展示根据本发明一个实施例的示范性圆锥形磁体。此处，圆锥形磁体940包括其中形成空腔952的外表面950。空腔952是可选的，且可用于容纳轴承或其类似物。在某些实施例中，空腔952在表面954、956和958中的一者或一者以上内部延伸。注意，空腔952可具有沿着其轴向长度变化的内部尺寸。圆锥形磁体940包括三个表面：第一圆柱形表面954、圆锥形表面956和第二圆柱形表面958。在各种实施例中，圆锥形磁体940可包括：更少或更多的表面、具有更大或较小直径的圆柱形表面、圆锥形表面956的更陡或更浅的倾斜角度等。

图9K和9L分别展示根据本发明一个实施例的示范性圆柱形磁体的端视图和侧视图。圆柱形磁体961由两个圆柱形磁体960和962组成。在此实例中，圆柱形磁体962设置(例如，插入)在圆柱形磁体960内。在一个实施例中，圆柱形磁体962由NdFe磁性材料(或其变体)组成，且圆柱形磁体960由陶瓷磁性材料组成。在某些实施例中，缺少圆柱形磁体962，从而形成由圆柱形磁体960组成的环形磁体(安装夹具未图示)。在至少一个特定实施例中，圆柱形磁体962可由磁导材料而并非磁体材料组成。在一个实施例中，圆柱形磁体962不需要延伸穿过圆柱形磁体960，而是可从一端延伸到圆柱形磁体960内的任何轴向长度。图9M和9N分别展示根据本发明一个实施例的示范性圆锥形磁体的端视图和侧视图。圆锥形磁体971由两个圆锥形磁体970和972组成。在此实例中，圆锥形磁体972放置(例如，插入)在圆锥形磁体970内。在一个实施例中，圆锥形磁体970由NdFe磁性材料(或其变体)组成，且圆锥形磁体972由陶瓷磁性材料组成。在某些实施例中，圆锥形磁体972可由磁导材料而并非磁体材料组成。在某些实施例中，缺少圆锥形磁体972，从而形成由圆锥形磁体970组成的空心圆锥形磁体(安装夹具未图示)。在一个实施例中，圆锥形磁体972不需要延伸穿过圆锥形磁体970，而是可从一端延伸到圆锥形磁体970内的任何轴向长度。

图9O和9P说明根据本发明其它实施例的其它圆锥形磁体。图9O说明作为圆锥形磁体的棱锥形状磁体(尽管被截顶)，其由任何数目的截顶三角形表面978形成。图9P说明至少一个实施例的圆锥形磁体980，其中圆锥形磁体980包括截顶棱锥磁体990，所述截顶棱锥磁体990包括形成在其中或其上的磁区992。磁区992包括与截顶棱锥磁体990的材料不同的磁体材料。那些磁区992中的每一者可经选择为具有任何预定极性。在一个实施例中，截顶棱锥磁体990是四侧面的，且由陶瓷材料(例如，磁体材料)组成，且每个磁区992(其中两者从视图中隐藏)由形成在截顶棱锥磁体990上的NdFe磁体材料组成。在其它实施例中，棱锥磁体990可具有任何数目的侧面。在各种实施例中，棱锥磁体990是磁体支撑件，且不需要由磁体材料组成，而是可由磁导材料组成。在某些实施例中，磁体支撑件990可形成为具有如图9A到9I中所示的那些形状的任何形状，其中可将任何数目的磁区992设置在磁体支撑件990上。在所述情况下，磁区992可具有适于设置在特定形状的磁体支撑件990上的任何形状。举例来说，尽管图9O和9P描绘圆锥形磁体，但图9O中的磁体在本质上可为圆柱形的(即，其中多个平坦表面978构成圆柱形磁体表面，端视图呈现为六边形或其它多边形)。作为另一实例，图9P中的磁体可包括圆柱形形状的磁体支撑件990，而并非类棱锥形形状。再次，除了图9E、9K和9L外，前述内容中所说明的圆锥形磁体仅仅是本发明圆锥形磁体的实例。

在本发明特定实施例中，圆锥形磁体是各向异性的，在直径方向上磁化，且经定形为相对于旋转轴线具有约30度锥角的截顶圆锥。根据某些实施例，圆锥形和圆柱形磁体在大体上在大致垂直于轴线的平面中的方向上在直径方向上磁化。这些类型的磁体配置的至少一个优点在于，此类直径圆锥形磁体可在与磁体材料的原始磁定向相同的方向上磁化，这提供磁体的较高能量乘积(即，更有力的磁体)。各向异性磁体也是相对容易地制造的，且每单位磁体体积具有相对较高的磁效率。直径(即，2极)磁体的另一优点在于，在具有三个作用场磁极构件和三个相位的马达中，对于马达的每个机械旋转仅具有一个电旋转。因此，直径磁体整体或部分地降低马达驱动电路中的涡电流损耗、磁滞(“铁心”或“铁”)损耗和电切换损耗。在某些实施例中，圆锥形磁体可：(1)包括钢心来代替实心磁体材料，(2)由展现良好矫顽性的环形磁体构造而成，(3)由弧段磁体构造而成，(4)直接模制到轴上，(5)径向极化，(6)包括空心铁心来代替实心磁体材料，或可包括任何其它类似特征。

图10展示根据本发明一个实施例的多极磁体。在此实例中，永久磁体1000是四极磁体，其经磁定向以具有从南极(“S”)到北极(“N”)的弓形磁路径1010。其它数目的极和磁体定向均在本发明的范围和精神内。另外，根据某些实施例，多极磁体(例如永久磁体1000)可为单片磁体或非单片磁体。如本文中使用，应用于永久磁体的术语“单片”暗示，永久磁体由集成磁极组成，以使得永久磁体为非离散的且在结构上为大致同质的。因而，单片永久磁体在磁极之间缺少任何物理界面。单片磁体因此由连续磁体材料组成。相反地，永久磁体1000可为由单独磁体组成的非单片磁体，其中每个单独磁体提供面向外的北极或南极，藉此在单独子组件之间存在物理界面。因而，非单片磁体因此可由邻接但非连续的磁体材料组成。明确地说，每个单独子组件包括连续磁体材料，但物理界面引起构成整个磁体的磁体材料的不连续性。注意，术语“单片”还可应用于本发明各种转子-定子结构的场磁极构件和其它元件。注意，在至少一个实施例中，非单片磁体可包括其中单独子组件布置为彼此相距一距离而使得它们不彼此接触的那些磁体。

图11A展示作为本发明替代实施例的转子-定子结构1100的侧视图。一般来说，数量为三个作用场磁极构件有效地使用通常在马达或发电机内部可用的圆柱形容积或空间。因而，“三个”作用场磁极构件一般用于提供相对较高的封装密度。但为了提供更平衡的操作，可使用三个以上作用场磁极构件。如图所示，六个作用场磁极构件1102与旋转轴线同轴布置且围绕旋转轴线等距定位。并且，四极磁体1104定位在邻近作用场磁极构件1102的极面处。在此例子中，四极磁体1104是个别磁体弧段的合成物。转子-定子结构1100可相对于包括三个作用场磁极构件的转子-定子结构在磁性上提供更多平衡，因为相对的作用场磁极构件1102的线圈可大体上同时被激励。其它数目的作用场磁极构件和其它偶数数目的磁极可适当地经组合以实施本发明的转子-定子结构。

图11B到11C说明根据本发明各种实施例的场磁极构件和/或磁极的数目变化的子集。图11B展示根据本发明一个实施例的具有六个场磁极构件1106和双极磁体1107的转子-定子结构1105的侧视图。图11C描绘根据本发明另一实施例的包括十二个场磁极构件1109和四极磁体1110的转子-定子结构1108的侧视图。再次，转子-定子结构1100、1105和1108仅描绘根据本发明各种实施例的多种场磁极构件-磁极组合中的几种。

在本发明至少一个特定实施例中，将示范性转子-定子结构设置在电马达中以生成转矩振幅，所述转矩振幅取决于以下至少一者或一者以上：磁体体积；通量交互作用区中的交互作用场的向量方向；通量交互作用区中的通量密度；气隙面积；和极面面积。所以，永久磁体产生的通量密度越高且作用场磁极构件产生的通量密度越高，那么在达到显著饱和之前在场磁极构件中将形成的转矩也越高。此类转子-定子结构的磁体材料应具有充分矫顽性，以在既定应用中防止部分或完全去磁。

图12A到12D说明根据本发明的另一转子-定子结构。图12A描绘转子组合件1200，其包括安装在轴1204上或附加到轴1204的至少两个圆柱形永久磁体1202a和1202b。如图所示，圆柱形磁体1202a和1202b在直径方向上磁化且经定位以使得其北极(N)指向大致相反方向。图12B展示包括两个极面1224的场磁极构件1220的两个视图。注意，此实例中的极面1224经定型或定形以便模拟圆柱形永久磁体1202a和1202b的圆柱形表面的轮廓，从而为圆柱形表面的若干部分或整个圆柱形表面提供相对较均匀的气隙厚度。在各种实施例中，场磁极构件1220可由叠片(未图示)组成，且可具有如相对于其它实施例描述的功能和/或结构。图12C是根据本发明特定实施例的示范性转子-定子结构的分解图。在此实例中，转子-定子结构1250经配置以通过至少使穿过场磁极构件的磁通量路径长度最小化来为电马达实施方案增加每单位尺寸(或每单位重量)生成的转矩。因为场磁极构件1206在其中提供大致笔直的通量路径段，所以可使磁通量的线性偏离最小化。通常，所述路径段大体上平行于旋转轴线。另外，转子-定子结构1250可实施笔直或大致笔直的场磁极构件1206，以最小化那些场磁极构件的磁阻。因为磁阻被最小化，所以磁损耗也被最小化。在图12C所示的实例中，转子-定子结构1250包括转子组合件1200、三个作用场磁极构件1252(其每一者均实施场磁极构件1206和线圈)、端板1254和1256以及轴承1258。注意，圆柱形磁体1202a和1202b的圆柱形表面1260(也称为磁体表面)用于面对极面1224(图12B)。此类磁体表面可描述为是分界面的，因为当通量进入或退出极面1224时磁通量穿过这些表面。所述磁体表面整体或部分地(即，其圆柱形部分)在圆柱形表面1260与极面1224之间界定气隙。在至少一个实施例中，极面1224经定型以为每个气隙维持均匀厚度，以增加圆柱形磁体1202a和1202b(图12C)与场磁极构件1206a、1206b和1206c之间的通量交互作用，从而以可预测的方式增加输出转矩。在场磁极构件1206a、1206b和1206c由叠片组成的情况下，极面1224经定型以为每个气隙维持至少大致均匀的厚度。

图12D展示场磁极构件1220(图12B)的横截面的侧视图，其描绘指示场磁极构件1220中的笔直通量路径段的直线1284，而不管磁通量路径从永久磁体还是安匝(“AT”)生成的通量穿过。在本发明各种实施例中，通量所经过的路径是场磁极构件1220的形状(整体或部分)的函数。注意，直线1284代表场磁极构件1220的极面1224之间的笔直通量路径。

图13A和13B说明根据本发明至少一个实施例的又一转子-定子结构。图13A描绘转子组合件1300，其仅包括一个磁体，所述磁体在此实例中是安装在轴1304上的圆柱形磁体1302。如图所示，图13B是根据本发明特定实施例的示范性转子-定子结构的分解图。在此例子中，转子-定子结构1350包括转子组合件1300、三个作用场磁极构件1352(即，1352a、1352b和1352c)、端板1354和1356以及轴承1358。在一个实施例中，板1354是非磁性端板，且端板1356是磁导端板，其用于在作用场磁极构件1352之间传送通量。在某些实施例中，端板1356是非磁性端板，且转子-定子结构1350包括通量承载构件(未图示)，所述通量承载构件是磁导的以完成穿过圆柱形磁体1302的磁体回路。通量承载构件磁性耦合作用场磁极构件1352的不存在极面的其它末端。实施作为作用场磁极构件1352的一部分的场磁极构件在某些方面类似于图12B的场磁极构件1220和图12C的场磁极构件1206a、1206b和1206c中的任一者。但在此例子中，作用场磁极构件1352的每个场磁极构件仅包括一个极面，因为仅存在一个与之进行交互作用的永久磁体。单极面的一个实例是极面1324。在替代实施例中，其它形状的磁体可替代圆柱形磁体1302来实施转子-定子结构1350的其它配置。另外，转子-定子结构1350可另外包括本文描述的各种实施例的其它特征。

图13C和13D说明根据本发明至少一个实施例的再一转子-定子结构。图13C描绘转子组合件1360和1364，其每一者仅包括一个圆锥形磁体。明确地说，转子组合件1360包括安装在轴1363上的圆锥形磁体1362，使得圆锥形磁体1362的圆锥形表面的至少一部分面向第一轴向方向(“AD1”)。相反，转子组合件1364包括安装在轴1365上的圆锥形磁体1366，使得圆锥形磁体1366的圆锥形表面的至少一部分面向第二轴向方向(“AD2”)，其中第二轴向方向与第一轴向方向相反。在至少一个实施例中，第一轴向方向朝向通量承载构件(未图示)，例如磁导端板1356(图13B)。尽管转子组合件1364可能生成相对较长的通量路径，所述通量路径不如由转子组合件1360产生的那些通量路径那样笔直，但在特定应用中(例如在马达性能不是关键要求的那些情况下)可忽略此类差异。注意，圆锥形磁体1362和1366安装在各自轴1363和1365上的相对位置仅仅是某些可能位置的实例。因而，圆锥形磁体1362和1366每一者可定位在轴上的任何地方，包括轴1363或轴1365的中心。图13D是根据本发明特定实施例的示范性转子-定子结构的分解图。如图所示，转子-定子结构1370包括转子组合件1360(图13C)、三个作用场磁极构件1372(即，1372a、1372b和1372c)，所述作用场磁极构件中的每一者在功能上类似于图13B中类似命名的那些构件。但图13D的三个作用场磁极构件1372包括有每一者仅包括一个极面的场磁极构件，藉此三个作用场磁极构件1372的单极面中的每一者经定型以面对转子组合件1360的圆锥形磁体表面。转子-定子结构1370还包括端板1354和1356以及轴承1358。另外，转子-定子结构1370可另外包括本文描述的各种实施例的其它特征。

图14和15描绘根据本发明各种实施例的两个以上圆锥形磁体的示范性实施方案。图14展示两组圆锥形磁体均经布置为面向彼此。第一组包括圆锥形磁体1402，且第二组包括圆锥形磁体1406，其中两组均附加到轴1404。在一个实施例中，协同具有不同直径的圆锥形磁体对的两组场磁极构件可用于形成复激马达1400。明确地说，复激马达1400是通过集成并行的两个或两个以上马达(例如内马达1450和外马达1452)而形成的。在此实例中，内马达1450包括圆锥形磁体1402和作用场磁极构件1412，其中圆锥形磁体1402具有比圆锥形磁体1406更小的直径。外马达1452包括内马达1450以及圆锥形磁体1406和作用场磁极构件1410。在一个实施例中，圆锥形磁体1402和1406彼此远离且朝向相反的轴向方向而面对。在替代实施例中，其它形状的磁体(例如圆柱形)可替代圆锥形磁体1402和1406。

图15说明任何数目的圆锥形磁体1502和1503可布置在轴1504上。明确地说，第一组圆锥形磁体1502使其圆锥形表面面向一个轴向方向，且第二组圆锥形磁体1503经布置为使每个圆锥形表面面向另一轴向方向，所述另一轴向方向是与圆锥形磁体1502所面向的轴向方向相差180度的方向。根据本发明各种实施例，任何数目的圆锥形磁体(例如，任何偶数或奇数数目)可以多个定向或方向布置在轴上，其中一个或一个以上作用场磁极构件适合于与那些圆锥形磁体进行交互作用。在一个实施例中，作用场磁极构件1504与圆锥形磁体对1502和1503一起包括在内，以形成任何数目的彼此串联的马达。举例来说，串激马达1500包括共享同一轴1580的三个马达。每个马达包括一个圆锥形磁体1502、一个圆锥形磁体1503和任何数目的作用场磁极构件1504。串激马达1500非常适合用于潜孔钻和泵中，其中相对较小直径中的高转矩是所需的且轴向长度具有最小重要性。在替代实施例中，其它形状的磁体(例如圆柱形)可替代圆锥形磁体1502和1503。

图16描绘根据本发明一个实施例的针对其场磁极构件具有偏斜定向的转子-定子结构的替代性实施方案。转子-定子结构1600包括许多场磁极构件1630，其围绕旋转轴线1609同轴布置且经配置以与磁体1602a和1602b磁耦合，所述磁体1602a和1602b两者均组合在轴1622上。在一个例子中，磁体1602a和1602b可使圆锥形表面朝向彼此而面对。在至少一个实施例中，场磁极构件1630中的每一者在到轴线1609的定向上“偏斜”，以使得穿过每个场磁极构件1630的中线1640与穿过轴线1609的平面1611成偏斜角度1650。通过将场磁极构件1630定向为与旋转轴线1609成偏斜角度1650，可减少定位。在一个特定实施例中，场磁极构件1630每一者的极面可经定型以面对磁体1602a和1602b的表面。注意，一个或一个以上场磁极构件1630无需是作用场磁极构件。

图17A是说明根据本发明一个实施例的另一转子-定子结构的横截面图。在图17A的横截面图(其类似于图5A的截面图X-X)中，转子-定子结构1700包括场磁极构件1702和圆锥形形状的磁体1720a和1720b。场磁极构件1702具有第一极靴1707a和第二极靴1707b。第一极靴1707a定位在磁体1720a的表面的至少一部分(例如，面对部分)的邻近处，以使得极面1705a可用于与其形成第一通量交互作用区。类似地，第二极靴1707b定位在磁体1720b的磁体表面的至少一部分的邻近处，以使得极面1705b可用于与其形成第二通量交互作用区。所述通量交互作用区两者均包括具有均匀厚度或大致均匀厚度的气隙。场磁极构件1702还具有中央场磁极构件部分1706，在所述部分1706周围可缠绕一个或一个以上绕组。注意，图17A将场磁极构件1702的特定区或部分识别为极靴1707a和1707b、过渡区1709a和1709b、极面1705a和1705b以及中央场磁极构件部分1706，所有这些部分仅仅是示范性的且不应理解为限制性的。因而，本发明其它实施例可包括场磁极构件1702的具有与上文描述不同的尺寸、长度、比例、维度、形状等的区和部分。

另外，第一极靴1707a和第二极靴1707b分别包括过渡区1709a和过渡区1709b，以使第一极靴1707a和第二极靴1707b(以及极面1705a和1705b)偏移离开中央场磁极构件部分1706。过渡区1709a和1709b中的每一者经配置以降低极面1705a与1705b之间的通量路径的磁阻。举例来说，与要求过渡区与中央场磁极构件部分1706或第一极靴1707a和第二极靴1707b正交(即，成九十度)的传统场磁极相比，过渡区1709a和1709b为穿过中央场磁极构件部分1706和第一极靴1707a或第二极靴1707b的通量路径提供减小的磁阻。一般来说，通量路径在场磁极构件或任何类似的“低磁阻构件”内转弯越尖锐(例如成九十度角度或接近九十度角度)，那么针对所述通量路径的磁阻也越高。这又导致增加的磁损耗。

为了降低与非笔直通量路径相关联的磁损耗，示范性场磁极构件1702实施过渡区(例如过渡区1709a和1709b)以提供瞬时通量路径段。瞬时通量路径段1710有助于降低与在极面(例如极面1705a和1705b)之间延伸的通量路径的长度相关联的磁阻。如图17A中展示，瞬时通量路径(“S2”)1710提供从通量路径段(“S1”)1708到瞬时通量路径(“S2”)1710的锐角1704(其也可由其互补钝角1750描述)，所述通量路径段(“S1”)1708与中央场磁极构件部分1706相关联。如图所示，通量路径段(“S1”)1708在指示为瞬时通量路径(“S2”)1710的相同大体方向上，所述方向与所述段1708的方向偏离锐角1704。注意，此类偏离也可按照钝角1750来描述，如所属领域的一般技术者应了解的那样。在特定实施例中，锐角1704可介于接近0度与接近60度之间(包括0度和60度)。另外，“非笔直”通量路径可描述为具有两个连续段1708和1710的路径，所述段1708与1710之间具有介于60度与90度之间的角度1704。在特定实施例中，非笔直通量路径包括那些具有与在前通量路径段偏离约九十度角度的随后通量路径段的路径，其中随后通量路径段和在前通量路径段为连续的。因此，段1708在段1710之前(从南到北磁化的通量路径)，且段1710在段1708之后。在某些实施例中，术语“大致笔直”可指代提供笔直通量路径(例如，在(例如)场交互作用区之间与直线没有偏离的路径)以及提供包括一个或一个以上随后通量路径段(其每一者与在前通量路径段成60度或更小)的通量路径的场磁极构件。

在至少一个特定实施例中，术语“通量路径段”指的是从场磁极构件1702的区或部分的一端(或近似从其)延伸到另一端(或近似到其)的线段，其中所述通量路径段代表在磁极(例如，极面)之间延伸的近似磁通量路径和/或内部通量线的一部分。举例来说，通量路径段(“S1”)1708延伸中央场磁极构件部分1706的近似长度，且瞬时通量路径(“S2”)1710延伸过渡区1709a的近似长度。

图17B说明根据本发明特定实施例的场磁极构件的透视图。如图所示，场磁极构件1702(图17A)包括极面1705a和1705b，所述极面1705a和1705b经定型以面对圆锥形磁体1720a和1720b的圆锥形表面。注意，在其它实施例中，极面1705a和1705b不需要为定型的。举例来说，图17A的极面1705a和1705b每一者可位于与说明图17A的页面垂直的相对较平坦的平面中。

图18A和18B描绘根据本发明实施例的气隙。图18A说明由圆锥形磁体1860和相应极面(为避免模糊气隙1866而未图示)定形的气隙1866。在此实例中，法向向量1862和1864的每一者发源于极面上的表面部分，且终止于圆锥形磁体1860上的表面部分1899上的相应点。举例来说，法向向量1862c发源于极面的一部分(例如，点1863)，且延伸到圆锥形磁体1860表面的部分1899上的一点(例如，点1865)。在某些实施例中，法向向量1862和1864每一者具有相同长度。

但在某些实施例中，法向向量1864的长度可不同于法向向量1862的长度。因而，弧形横截面1867在第一轴向位置处界定第一均匀气隙横截面，而弧形横截面1802沿着轴线(未图示)的长度在第二轴向位置处界定第二均匀气隙横截面。法向向量1864位于垂直于(例如)表面部分1899的相同平面中，而法向向量1862位于也垂直于表面部分1899的相同平面中。但两个平面是不同的，且产生气隙1866的不同横截面，例如弧形横截面1802和1867。

在一些实施例中，可能有利的是，改变气隙厚度以(例如)在圆锥形磁体1860的较小直径末端处建立变窄的气隙且在圆锥形磁体1860的较大直径末端处建立加宽的气隙，以更好控制传导通过气隙1866而到达邻近场磁极(未图示)的通量。举例来说，法向向量1862的长度可比法向向量1864长。因此，这在弧形横截面1802处建立较宽的气隙且在弧形横截面1867处建立较窄的气隙。在另一实例中，考虑圆锥形磁体1860的负载线界定气隙长度(“L_gap”)与磁体长度(“L_magnet”)之间的比率为L-gap/L_magnet。为了控制此比率或防止所述比率发生变化，可使得气隙1866在圆锥形磁体1860的较小末端处较窄，该处磁体长度L_magnet相对较短，且气隙1866可在圆锥形磁体1860的较大末端处较宽，该处磁体长度L_magnet相对较长。磁体长度(“L_magnet”)描述圆锥形磁体1860的直径，磁通量沿着所述圆锥形磁体直径从一个磁体表面横穿到另一表面。

注意，发源于和/或终止于弯曲表面的法向向量在垂直于磁体1860表面的平面中一般不彼此平行。举例来说，法向向量1862a不平行于法向向量1862b，所述两个法向向量均发源于具有与其相关联的曲率的极面表面。气隙1866包括具有弧形横截面1867的外边界和具有弧形横截面1869的内边界。注意，虽然仅图示一个气隙1866，但其它类似气隙可由其它极面表面形成。已出于简化目的而省略了那些气隙。还注意，法向向量1862和1864不一定代表气隙1866中的磁通量线；其主要目的是描述气隙的物理结构。

图18B说明由圆柱形磁体1870和相应极面定形的气隙1876a和1876b，所述两个相应极面均未图示以避免模糊那些气隙。在此实例中，法向向量1872和1874中的每一者发源于极面(未图示)上的表面部分上的一点，且终止于圆锥形磁体1870上的表面部分1890上的相应点。一般来说，法向向量1872和法向向量1874分别位于第一平面(未图示)内和第二平面(未图示)内，其中两个平面均大致垂直于轴线。因此，法向向量1872和法向向量1874界定第一和第二大致均匀的横截面。所述第一和第二大致均匀的横截面形成弧形横截面，且可具有相同尺寸或具有不同尺寸，这取决于法向向量1872和1874的长度。举例来说，当法向向量1874的每一者具有相同长度时，那么它们形成弧形横截面1898(例如，具有由点A、B、C和D界定的周边)。在一种情况下，弧形横截面1890在围绕轴线的径向方向上提供均匀性。在另一情况下，当法向向量1872和1874的长度相同时，那么由其形成的弧形横截面在轴向方向上提供均匀性，从而在整体上或部分地提供均匀气隙厚度。注意，法向向量还可发源于磁体表面(未图示)以描述气隙。在至少一个实施例中，极面表面的表面区域可经尺寸设定为场磁极构件(未图示)之间的外围距离“W”的函数。图18B展示表面区域1878为气隙1876b的交叉影线外边界。表面区域1878代表其它气隙的其它表面区域，可对所有这些区域均进行类似的尺寸设定。图18B的距离“W”经选择以通过使极面表面区域1878最大化而在圆柱形磁体1870与场磁极构件之间提供最大磁耦合，且同时通过增加距离“W”来使与气隙1876a和1876b相关联的所述场磁极构件之间的泄漏最小化。“W”的最佳值使磁场泄漏最小化且同时提供增加的输出转矩。

图19是说明根据本发明又一实施例的又一通用场磁极构件配置的横截面图。在场磁极构件1902的横截面图(其类似于图5A的截面图X-X)中，场磁极构件1902经展示为包括与图17A的场磁极构件1702类似的区或部分。在此实例中，场磁极构件1902具有第一极靴1907a、第二极靴1907b、第一极面1905a、第二极面1905b和中央场磁极构件部分1906，所有这些部分均具有与上文描述的那些部分等效的功能。注意，在其它实施例中，场磁极构件1902的区和部分可具有不同于上文所提及的尺寸、长度、形状、比例、维度、横截面面积等。

如图19所示，过渡区1909a包括瞬时通量路径(“S2”)1910，用以提供从其开始或到达与中央场磁极构件部分1906相关联的第一通量路径段(例如通量路径段(“S1”)1908)的锐角1952，且用以提供从其开始或到达与第一极靴1907a相关联的第二通量路径段(例如通量路径段(“S3”)1912)的相同或不同锐角1950。在某些例子中，瞬时通量路径(“S2”)1910与通量路径段1908和1912偏离的角度也可由钝角1953界定，所述钝角1953与锐角1952互补。在某些情况下，通量路径段(“S1”)1908和通量路径段(“S3”)1912与由轴1960界定的旋转轴线相距各自距离1918和1916，所述两个段1908和1912大致平行于轴1960。在图19中，通量路径段(“S1”)1908和瞬时通量路径(“S2”)1910分别延伸中央场磁极构件部分1906和过渡区1909a的近似长度，而通量路径段(“S3”)1912延伸到第一极靴1907a(或其一部分)的长度中。考虑过渡区1909a提供瞬时通量路径部分以使通量从通量路径段1908(其与旋转轴线1960相距距离1918)逐渐过渡到通量路径段1912(其与轴线1960相距距离1916)。或考虑过渡区1909a提供瞬时通量路径部分，以使通量从轴线1960逐渐过渡径向距离1901而没有90度弯曲。

图20说明根据一个实施例的作为延伸到场磁极构件1902的极面1905a的磁通量一部分的实例的通量线2002。通量线2002经展示为近似入射到包括通量路径段(“S1”)1908、瞬时通量路径(“S2”)1910和通量路径段(“S3”)1912的通量路径。

一般来说，实施转子-定子结构200(图2B)的电马达的马达常数(Km)或类似物可通过在本质上不影响其它马达特征的情况下(在某些情况下除了马达长度和重量)改变场磁极构件的铁心(即，绕组区)的长度来设置。举例来说，通过使绕组长度加倍且同时保持外径为常数，绕组体积也可被加倍，所以可缠绕在马达内的匝数加倍。由于马达性能在整体或部分上是由安匝设置的，因而当匝数加倍时，可将电流切割成近似一半，且仍实现相同性能。所以，使具有相同电线尺寸的匝的数目加倍可造成绕组电阻增加大约2倍。由于马达中的功率损耗可由电流的平方乘以绕组电阻来确定，因而电流减少二分之一且电阻加倍可导致绕组中的功率损耗减半。

通过使用本发明至少一个实施例的转子-定子结构而将电能转换成机械转矩的示范性方法描述为如下。由两个永久磁体的偶数的极产生第一元件磁通量，藉此那些磁体大致在内部在径向方向上引导所述第一元件磁通量且到达磁体的极表面。永久磁体被轴向分离，但沿着公共轴线连接，以使得磁极大致上在包括所述轴线的平面中对准。当沿着所述轴线观测时，所述两个永久磁体中的磁极在磁化作用上在大致相反的方向上导向，从而完成磁路。在大致轴向方向上将所述第一元件通量引导穿过多个低磁阻路径元件，所述路径大致平行于所述轴线，从而辅助所述磁路中的磁通量密度。所述低磁阻路径元件中的至少一者大致上由第二磁通量产生元件包围，所述第二磁通量产生元件由包围所述低磁阻路径元件的电流承载构件组成。当加电时，第二通量元件中的电流可选择性地切换，以便在低磁阻路径元件的轴向末端处(例如在定子表面处)的通量交互作用区中产生磁位。当加电时，可切换的磁位辅助或抵抗来自第一元件通量源的磁通量，从而在垂直于所述轴线的平面中在永久磁体中产生转矩。所产生的转矩的量级是第一元件通量与第二元件通量的方向之间的角度的函数。在某些实施例中，低磁阻路径元件的轴向末端处的通量交互作用区形成相对于所述轴线成一角度的气隙表面。在替代实施例中，低磁阻路径元件的轴向末端处的通量交互作用区形成与所述轴线平行的气隙表面。举例来说，在特定实施例中，由相对回复磁导率测量的永久磁体的矫顽性以CGS单位小于1.3。

因为转子-定子结构和电马达可经设计以使得可使用计算装置来模拟和建模其功能，所以本发明的至少一实施例涉及上面具有计算机代码的计算机可读媒体，所述计算机代码用以执行各种计算机实施的操作，例如对将电能转换为机械转矩(或由机械转矩生成电能)进行建模。明确地说，本发明的控制策略可在与处理器相关联的软件中实施。媒体和计算机代码可以是针对本发明目的而特殊设计和构造的那些媒体和计算机代码，或者其可为计算机软件领域的技术人员众所周知且可用的种类。计算机可读媒体的实例包括经特殊配置以存储并执行程序代码的硬件装置，例如专用集成电路(“ASIC”)、可编程逻辑装置(“PLD”)和ROM及RAM装置。计算机代码的实例包括机器代码(例如由编译器产生的)和由计算机使用解释程序执行的含有较高级代码的文件。举例来说，本发明实施例可使用Java、C++或其它面向对象的编程语言和开发工具来实施。本发明另一实施例可在代替或结合机器可执行软件指令的硬连线电路中实施。另外，本发明其它实施例包括使用本发明转子-定子结构的马达，其由众所周知的驱动技术电驱动，如所属领域的技术人员将理解。

所属领域的技术人员不需要任何关于制作和使用本文描述的转子-定子结构的实施例的额外解释，但仍然可通过以从最优选到最不优选的次序检视以下参考来找到一些有用的指导：“IEEE 100：The Authoritative Dictionary of IEEE Standard Terms”(Institute ofElectrical and Electronics Engineers(Kim Breitfelder和Don Messina编辑，第7版，2000年))；“General Motor Terminology”(由小型马达和运动协会(“SMMA”)定义)；和“Standard Specifications for Permanent Magnet Materials：Magnetic Materials ProducersAssociation(“MMPA”)Standard No.0100-00”(国际磁学协会)。

前述描述内容出于解释目的使用特定术语来提供对本发明的彻底理解。然而，所属领域的技术人员将了解不需要特定细节以便实践本发明。事实上，不应将此描述内容阅读为将本发明任何特征或方面限制于任何实施例；而是，一个实施例的任何一个特征或方面可易于与任何其它实施例中的另一特征或方面进行互换。尽管所述实施例的以上描述涉及马达，但所述论述内容可应用于所有电动力机，例如发电机。因此，出于说明和描述目的来展现本发明特定实施例的前述描述内容。不希望它们为详尽的或将本发明限制于所揭示的精确形式；显然，鉴于以上教示，多种修改和变化是可能的。选择并描述所述实施例是为了最佳解释本发明原理和其实践应用；因而它们使得所属领域的其他技术人员能最佳地利用本发明和具有适合于所预期的特定用途的各种修改的各种实施例。显然，不是本文所述的每个益处都需要由本发明的每个实施例来实现；而是，任何特定实施例均可提供上文所论述的优点中的一者或一者以上。希望所附权利要求书和其等效物界定本发明的范围。

Claims (105)

1.一种用于电动力机的转子-定子结构，其包含：

圆柱形磁体，其具有圆柱形表面且轴向布置在旋转轴线上，所述圆柱形磁体包括至少两个圆柱形磁体，所述至少两个圆柱形磁体经定位以使得所述至少两个圆柱形磁体的极化方向在大致相反的方向上；和

场磁极构件，其与所述轴线同轴布置且具有通量交互作用表面，所述通量交互作用表面形成在所述场磁极构件的末端处，所述末端邻近所述圆柱形表面的面对所述通量交互作用表面的部分，所述通量交互作用表面和所述圆柱形表面的所述部分界定气隙，所述通量交互作用表面经配置以将所述场磁极构件磁耦合到所述圆柱形磁体，

其中所述通量交互作用表面经定型以为所述气隙中的每一者维持大致均匀的横截面。

2.根据权利要求1所述的转子-定子结构，其中所述极化方向在大致垂直于所述旋转轴线的一个或一个以上平面中，其中所述圆柱形磁体和所述场磁极构件足以生成通量路径。

3.根据权利要求1所述的转子-定子结构，其进一步包含其上附加有所述圆柱形磁体的轴，所述轴界定所述旋转轴线且延伸穿过所述圆柱形磁体中的每一者。

4.根据权利要求1所述的转子-定子结构，其中所述大致均匀的横截面在大致垂直于所述轴线的平面中是弧形横截面。

5.根据权利要求1所述的转子-定子结构，其中所述大致均匀的横截面经配置以增加所述圆柱形磁体与所述场磁极构件之间的通量交互作用，从而增加输出转矩。

6.根据权利要求1所述的转子-定子结构，其中所述大致均匀的横截面为所述气隙中的每一者提供大致均匀的厚度。

7.根据权利要求6所述的转子-定子结构，其中在所述通量交互作用表面的部分与所述圆柱形表面的部分之间正交延伸的多个法向向量界定所述大致均匀的厚度，所述法向向量每一者具有均匀的长度。

8.根据权利要求1所述的转子-定子结构，其中所述通量交互作用表面每一者具有经尺寸设定以生成最大转矩输出的表面区域。

9.根据权利要求8所述的转子-定子结构，其中所述表面区域的尺寸被设定为至少所述场磁极构件之间的距离的函数，以提供所述圆柱形磁体与所述场磁极构件之间的最大磁耦合，且同时至少使所述场磁极构件之间的泄漏最小化。

10.根据权利要求1所述的转子-定子结构，其中所述场磁极构件中的至少一者是大致笔直的场磁极构件，其经配置以提供第一通量交互作用表面与第二通量交互作用表面之间的大致笔直的通量路径。

11.根据权利要求10所述的转子-定子结构，其中所述大致笔直的通量路径与磁阻相关联，所述磁阻比与从所述第一通量交互作用表面延伸到所述第二通量交互作用表面的非笔直通量路径相关联的磁阻低。

12.根据权利要求11所述的转子-定子结构，其中所述非笔直通量路径包括以约九十度角度偏离先前通量路径段的随后通量路径段，所述随后通量路径段和所述先前通量路径段均为连续的。

13.根据权利要求1所述的转子-定子结构，其中所述场磁极构件中的至少一者包含一个或一个以上过渡区，以确保通量路径部分非正交于所述场磁极构件的所述末端之间的所述轴线。

14.根据权利要求1所述的转子-定子结构，其中所述通量交互作用表面中的每一者进一步包含偏斜的通量交互作用表面，以使相邻场磁极构件之间的场磁极间隙偏斜，从而使定位转矩最小化。

15.根据权利要求14所述的转子-定子结构，其中所述偏斜的通量交互作用表面包括界定场磁极间隙的第一侧的第一边缘和界定另一场磁极间隙的第二侧的第二边缘，藉此所述第一边缘与所述第二边缘维持不与所述圆柱形磁体中的至少一者的极化方向对准的角度，其中第一场磁极构件的一个第一边缘和第二场磁极构件的一个第二边缘形成所述场磁极间隙。

16.根据权利要求1所述的转子-定子结构，其中所述场磁极构件中的每一者进一步包含叠片，以使得在轴向方向上延伸的中间平面将所述叠片的数量近似地一分为二，以使得在所述中间平面的一侧处，随着叠片经定位而远离所述中间平面，所述叠片大体上在至少一个维度中减少，其中所述叠片从由磁导材料组成的衬底中以减少所述磁导材料的浪费的配置形成。

17.根据权利要求1所述的转子-定子结构，其中所述场磁极构件中的每一者进一步包含中央场磁极构件部分，所述中央场磁极构件部分具有可与围绕所述旋转轴线的圆的一部分共同延伸的外周边表面，以减小所述转子-定子结构的体积尺寸。

18.根据权利要求1所述的转子-定子结构，其进一步包含线圈，所述线圈缠绕在所述场磁极构件中的至少一者的周围以形成至少一个作用场磁极构件。

19.根据权利要求18所述的转子-定子结构，其中所述至少一个作用场磁极构件本质上由所述场磁极构件中的所述至少一者和所述线圈中的至少一者构成。

20.根据权利要求1所述的转子-定子结构，其中所述极化方向包括第一极化方向和第二极化方向，藉此

所述圆柱形磁体中的一个圆柱形磁体经定向以具有所述第一极化方向，且

所述圆柱形磁体中的另一圆柱形磁体经定向以具有所述第二极化方向，

所述第一极化方向与所述第二极化方向成极化角度，以使定位转矩最小化，所述极化角度为从约150度到180度的任何角度。

21.根据权利要求1所述的转子-定子结构，其中所述转子-定子结构经配置以生成磁通量路径，所述磁通量路径本质上由以下各物构成：

所述第一圆柱形磁体；

所述第二圆柱形磁体；

所述场磁极构件；和

两个或两个以上气隙，

其中所述第一圆柱形磁体和所述第二圆柱形磁体中的每一者是单片磁体。

22.根据权利要求1所述的转子-定子结构，其中所述场磁极构件中的一者或一者以上进一步包含：

磁导材料，其从每个场磁极构件的一端到另一端是连续的；和

至少一部分，其经配置以接纳用于生成安匝(“AT”)通量的元件，

其中所述场磁极构件中的所述一者或一者以上的数量与所述圆柱形磁体的磁极的数目无关。

23.根据权利要求1所述的转子-定子结构，其中

所述场磁极构件包含硅-铁合金、镍-铁合金、钴-镍合金、磁性合金粉末和软磁性合成物中的一者或一者以上，且

所述圆柱形磁体是包含以下一者或一者以上的永久磁体：钕铁(“NdFe”)、一种或一种以上稀土磁体材料和一种或一种以上陶瓷材料。

24.根据权利要求1所述的转子-定子结构，其中所述场磁极构件中的每一者具有细长形状，且与所述旋转轴线成偏斜角度而定向。

25.一种用于电动力机且具有轴线的转子-定子结构，其包含：

转子组合件，在所述转子组合件中安装有至少两个大致圆柱形磁体，所述圆柱形磁体轴向布置在所述轴线上且彼此间隔开，所述圆柱形磁体具有预定磁极化区且每一者具有主要维度大致平行于所述轴线的面对圆柱形磁表面，其中所述磁极化在大致相反的方向上；和

场磁极构件，其与所述轴线同轴布置，且具有形成在所述场磁极构件的末端处且位于邻近所述面对磁表面处的通量交互作用表面，所述面对磁表面大体上与其所述主要维度共同延伸，从而与其一起界定功能气隙，

所述场磁极构件中的每一者是磁导的，

所述场磁极构件中的每一者是大致笔直的，

其中所述通量交互作用表面经配置以将所述场磁极构件磁耦合到所述圆柱形磁体。

26.根据权利要求25所述的转子-定子结构，其进一步包含轴，所述至少两个大致圆柱形磁体附加在所述轴上，所述轴界定所述轴线且延伸穿过所述至少两个大致圆柱形磁体中的每一者。

27.根据权利要求25所述的转子-定子结构，其中所述通量交互作用表面经定形以维持

所述气隙中每一者的大致均匀的横截面，所述大致均匀的横截面在大致垂直于所述轴线的平面中是弧形横截面，或

所述气隙中每一者的至少两个不同横截面，以为所述气隙中的每一者形成大致非均匀的横截面，所述至少两个不同横截面的每一者在大致垂直于所述轴线的至少两个不同平面中具有不同尺寸的弧形横截面。

28.根据权利要求27所述的转子-定子结构，其中所述大致均匀的横截面经配置以增加所述圆柱形磁体与所述场磁极构件之间的通量交互作用，从而增加输出转矩。

29.根据权利要求27所述的转子-定子结构，其中所述气隙中每一者的形状与所述大致均匀的横截面和另一大致均匀的横截面是相称的，所述两个横截面均具有类似尺寸以为所述气隙中的每一者提供大致均匀的厚度。

30.根据权利要求25所述的转子-定子结构，其中所述通量交互作用表面每一者具有经尺寸设定以生成最大转矩输出的表面区域。

31.根据权利要求25所述的转子-定子结构，其中所述通量交互作用表面中的每一者进一步包含偏斜的通量交互作用表面，以使相邻场磁极构件之间的场磁极间隙偏斜，从而使定位转矩最小化。

32.根据权利要求25所述的转子-定子结构，其中所述转子-定子结构经配置以将磁通量路径限制为仅横穿所述圆柱形磁体中的两者、所述场磁极构件中的两者、所述通量交互作用表面中的两者和所述气隙中的两者。

33.根据权利要求25所述的转子-定子结构，其进一步包含线圈，所述线圈缠绕在所述场磁极构件中的一者或一者以上的周围以形成作用场磁极构件，所述作用场磁极构件中的每一者不包括护铁，从而减少磁损耗以及减少用于制造电动力机的材料量。

34.根据权利要求25所述的转子-定子结构，其中所述场磁极构件经配置以围绕所述轴线相对于所述圆柱形磁体旋转，或者所述圆柱形磁体经配置以围绕所述轴线相对于所述场磁极构件旋转。

35.根据权利要求25所述的转子-定子结构，其中所述大致笔直的场磁极构件中的每一者经配置以使在第一通量交互作用表面的表面部分与第二通量交互作用表面的表面部分之间延伸的通量路径中的线性偏离最小化，所述路径段终止于所述表面部分。

36.一种用于电动力机的转子-定子结构，其包含：

轴，其界定旋转轴线且具有第一末端部分、中央部分和第二末端部分；

至少第一磁体结构和第二磁体结构，其每一者具有一个或一个以上磁体表面，所述第一磁体结构和所述第二磁体结构每一者同轴附加在所述轴上，以使得所述第一磁体结构的所述一个或一个以上磁体表面的极化方向在与所述第二磁体结构的所述一个或一个以上磁体表面的极化方向大致相反的方向上；

多组绕组；和

若干场磁极构件，其与所述轴大致同轴布置，所述场磁极构件的每一者包含若干叠片，

所述场磁极构件中的每一者在第一场磁极构件末端处具有第一极靴且在第二场磁极构件末端处具有第二极靴，所述第一极靴定位在邻近所述第一磁体结构的一部分处以形成第一通量交互作用区，且所述第二极靴定位在邻近所述第二磁体结构的一部分处以形成第二通量交互作用区，所述第一通量交互作用区和所述第二通量交互作用区均包括气隙；

所述气隙中的每一者在垂直于所述一个或一个以上磁体表面中的至少一个磁体表面的平面中具有弧形横截面。

37.根据权利要求36所述的转子-定子结构，其中所述弧形横截面为所述气隙中的每一者建立大致均匀的厚度，且增加所述一个或一个以上磁体表面与所述场磁极构件之间的通量交互作用，从而增加输出转矩。

38.根据权利要求36所述的转子-定子结构，其中所述第一极靴和所述第二极靴每一者进一步包含通量交互作用表面，所述通量交互作用表面具有经尺寸设定以生成最大转矩输出的表面区域，所述表面区域的尺寸被设定为至少所述场磁极构件之间的距离的函数，以提供所述一个或一个以上磁体表面与所述场磁极构件之间的最大磁耦合，且同时至少使所述场磁极构件之间的泄漏最小化。

39.根据权利要求36所述的转子-定子结构，其中所述场磁极构件中的至少一者是大致笔直的场磁极构件，其经配置以在所述第一通量交互作用区与所述第二通量交互作用区之间提供大致笔直的通量路径。

40.根据权利要求36所述的转子-定子结构，其中所述第一极靴和所述第二极靴每一者进一步包含偏斜的通量交互作用表面，以使相邻场磁极构件之间的场磁极间隙偏斜，从而使定位转矩最小化。

41.根据权利要求36所述的转子-定子结构，其中

所述场磁极构件中的每一者还至少具有中央场磁极构件部分，所述多组绕组中的一组缠绕在所述中央场磁极构件部分的周围，且所述第一和所述第二极靴中的每一者包括

过渡区，其以非正交角度将所述第一场磁极构件末端和所述第二场磁极构件末端中的每一者与所述中央场磁极构件部分连接，以降低所述中央场磁极构件部分与所述第一极靴或所述第二极靴或两者之间的通量路径的磁阻。

42.根据权利要求36所述的转子-定子结构，其中所述过渡区包括瞬时通量路径，以用于提供离开或到达与所述中央场磁极构件部分相关联的第一通量路径段的锐角，且用于提供离开或到达与所述第一和所述第二极靴中任一者相关联的第二通量路径段的相同或不同锐角。

43.根据权利要求42所述的转子-定子结构，其中所述锐角两者均在近似0度到60度之间。

44.根据权利要求36所述的转子-定子结构，其中所述第一磁体结构和所述第二磁体结构每一者是双极磁体，所述第一磁体结构的一个磁体表面具有指向第一方向的北极，所述第二磁体结构的一个磁体表面具有指向第二方向的北极，所述第一和所述第二方向相差介于150度到180度之间的角度，其中所述双极磁体中的每一者是单片的。

45.根据权利要求36所述的转子-定子结构，其中所述转子-定子结构经配置以接收电力作为进入所述至少一个线圈的电流以用于实施电马达，或者接收机械动力作为围绕所述轴的旋转运动以用于实施发电机。

46.根据权利要求45所述的转子-定子结构，其中如果所述转子-定子结构在所述电马达内实施，那么所述转子-定子结构经配置以实施复激马达或串激马达或两者，且如果所述转子-定子结构在所述发电机内实施，那么所述转子-定子结构经进一步配置以实施复激发电机或串激发电机或两者。

47.根据权利要求36所述的转子-定子结构，其中所述第一磁体结构和所述第二磁体结构每一者是多极磁体，所述第一磁体结构的所述一个或一个以上磁体表面包括多个北极和南极，所述北极和南极中的一者指向第一方向，且所述第二磁体结构的所述一个或一个以上磁体表面包括多个北极和南极，所述北极和南极中的一者指向第二方向，所述第一和所述第二方向相差介于150度到180度之间的角度。

48.根据权利要求36所述的转子-定子结构，其中所述第一磁体结构和所述第二磁体结构包含单独磁体，所述单独磁体每一者具有与其它单独磁体邻接的界面而没有任何插入结构。

49.根据权利要求36所述的转子-定子结构，其中所述第一磁体结构和所述第二磁体结构包括每一者均具有圆柱形表面的一个或一个以上圆柱体形状的磁体或者每一者均具有圆锥形表面的一个或一个以上圆锥体形状的磁体，或两者。

50.根据权利要求36所述的转子-定子结构，其中所述一个或一个以上磁体表面每一者包含

离散的磁化区，且

所述第一磁体结构和所述第二磁体结构每一者包含

磁体支撑件，其经配置以与所述轴线成锐角或平行于所述轴线在主要维度处支撑所述磁化区，所述磁体支撑件附加到所述轴。

51.一种用于电动力机的转子-定子结构，其包含：

圆锥形磁体，其具有圆锥形表面且轴向布置在旋转轴线上，以使得所述圆锥形表面面向彼此，所述圆锥形磁体包括至少两个圆锥形磁体，所述至少两个圆锥形磁体经定位以使得所述至少两个圆锥形磁体的极化方向在大致相反的方向上；和

场磁极构件，其与所述轴线同轴布置且具有通量交互作用表面，所述通量交互作用表面形成在所述场磁极构件的末端处且邻近于所述圆锥形表面的面对所述通量交互作用表面的部分，所述通量交互作用表面和所述圆锥形表面的所述部分界定气隙，

其中所述通量交互作用表面经配置以将所述场磁极构件磁耦合到所述圆锥形磁体，

其中所述圆锥形磁体和所述场磁极构件足以形成一个或一个以上通量路径。

52.根据权利要求51所述的转子-定子结构，其进一步包含其上附加有所述圆锥形磁体的轴，所述轴界定所述旋转轴线。

53.根据权利要求51所述的转子-定子结构，其中所述圆锥形表面每一者具有从所述旋转轴线倾斜的角度，所述角度为从约10度到约80度。

54.根据权利要求51所述的转子-定子结构，其中所述场磁极构件中的每一者进一步包含：

磁导材料，其从每个场磁极构件的一端到另一端为连续的；和

至少一部分，其经配置以接纳用于生成安匝(“AT”)通量的元件。

55.根据权利要求51所述的转子-定子结构，其进一步包含线圈，所述线圈缠绕在所述场磁极构件的每一者的周围以形成作用场磁极构件。

56.根据权利要求55所述的转子-定子结构，其中所述转子-定子结构不包括护铁，从而减少磁滞损失以及用于制造电动力机的材料。

57.根据权利要求51所述的转子-定子结构，其中所述场磁极构件中的至少一者是大致笔直的。

58.根据权利要求51所述的转子-定子结构，其中所述场磁极构件和所述圆锥形磁体经布置以使与从第一圆锥形磁体的表面部分延伸到第二圆锥形磁体的表面部分大致直线一致的磁通量路径的路径部分中的线性偏离最小化，所述路径部分终止于所述表面部分。

59.根据权利要求51所述的转子-定子结构，其中所述转子-定子结构经配置以生成磁通量路径，所述磁通量路径本质上由以下各物构成：

所述第一圆锥形磁体；

所述第二圆锥形磁体；

所述场磁极构件中的至少一者；和

两个或两个以上气隙。

60.根据权利要求51所述的转子-定子结构，其中所述场磁极构件包含叠片，以使涡电流最小化，从而降低功率损耗。

61.根据权利要求60所述的转子-定子结构，其中所述叠片是从由磁导材料组成的衬底中以减少所述磁导材料的浪费的方式形成。

62.根据权利要求60所述的转子-定子结构，其中所述叠片包含多个磁导叠片，所述磁导叠片中的至少一者是各向异性的。

63.根据权利要求51所述的转子-定子结构，其进一步包含线圈，所述线圈缠绕在所述场磁极构件中的至少一者的周围以形成至少一个作用场磁极构件。

64.根据权利要求63所述的转子-定子结构，其中所述至少一个场磁极构件经定形以通过避免经由槽缠绕所述线圈而使与在所述至少一个场磁极构件上缠绕所述线圈相关联的制造复杂性最小化。

65.根据权利要求51所述的转子-定子结构，其中所述圆锥形磁体中的一个圆锥形磁体具有第一极化方向，且所述圆锥形磁体中的另一圆锥形磁体具有第二极化方向，所述第一极化方向与所述第二极化方向成极化角度，以使定位转矩最小化，所述极化角度为从约150度到180度的任何角度。

66.根据权利要求51所述的转子-定子结构，其中所述通量交互作用表面中的每一者进一步包含偏斜的通量交互作用表面，以减少相邻场磁极构件之间的场磁极间隙，从而使定位转矩最小化。

67.根据权利要求56所述的转子-定子结构，其中所述偏斜的通量交互作用表面包括界定场磁极间隙的第一侧的第一边缘和界定另一场磁极间隙的第二侧的第二边缘，藉此所述第一侧和所述第二侧每一者平行于第一平面，所述第一平面与第二平面维持一角度，所述第二平面包括或平行于穿过所述圆锥形磁体中的至少一者的北极和南极的磁化平面，第一场磁极构件的一个第一边缘和第二场磁极构件的一个第二边缘形成所述场磁极间隙。

68.一种用于电动力机且具有轴线的转子-定子结构，其包含：

转子，其中安装有至少两个磁体，所述至少两个磁体轴向布置在所述轴线上且彼此间隔开，所述磁体具有预定的磁极化区且每一者具有主要维度大致与所述轴线成锐角的面对磁表面，所述面对磁表面面向彼此，其中所述磁极化在大致相反的方向上；和

场磁极构件，其与所述轴线同轴布置且具有通量交互作用表面，所述通量交互作用表面形成在所述场磁极构件的末端处且位于邻近于所述面对磁表面处，所述面对磁表面大体上与其所述主要维度共同延伸，从而与其一起界定功能气隙，

所述场磁极构件中的每一者是磁导的，

其中所述通量交互作用表面经配置以将所述场磁极构件磁耦合到所述磁体。

69.根据权利要求68所述的转子-定子结构，其中一个或一个以上场磁极构件每一者进一步包含线圈，所述线圈围绕所述一个或一个以上场磁极构件中的每一者，从而形成一个或一个以上作用场磁极构件。

70.根据权利要求68所述的转子-定子结构，其中所述转子-定子结构经配置以将磁通量路径限制为仅横穿所述磁体中的两者、所述场磁极构件中的两者、所述通量交互作用表面中的两者和所述气隙中的两者。

71.根据权利要求68所述的转子-定子结构，其中所述场磁极构件包含硅-铁合金、镍-铁合金、钴-镍合金、磁性合金粉末和软磁性合成物中的一者或一者以上，且所述磁体是包含钕铁(“NdFe”)的永久磁体。

72.根据权利要求68所述的转子-定子结构，其中所述场磁极构件或所述磁体中的一者围绕所述轴线相对于静止的另一者旋转。

73.一种用于电动力机的转子-定子结构，其包含：

轴，其界定旋转轴线且具有第一末端部分、中央部分和第二末端部分；

第一磁体，其表面被定型为圆锥体的至少一部分以形成第一圆锥形表面，所述第一磁体具有第一极化方向且轴向设置在所述轴上的所述第一末端部分处；

第二磁体，其表面被定型为圆锥体的至少一部分以形成第二圆锥形表面，所述第二磁体具有第二极化方向且轴向设置在所述轴上的所述第二末端部分处，以使得所述第一极化方向与所述第二极化方向大致相反，所述第二圆锥形表面面向所述第一圆锥形表面；

若干场磁极构件，其与所述轴大致同轴布置，所述场磁极构件中的每一者包含若干大致笔直的叠片，所述叠片中的至少一者由各向异性材料组成且布置为平行于其它叠片并平行于所述旋转轴线，所述场磁极构件中的每一者在第一场磁极构件末端处具有第一极靴且在第二场磁极构件末端处具有第二极靴，所述第一极靴定位成邻近所述第一圆锥形表面的一部分，以形成第一通量交互作用区，且所述第二极靴定位成邻近所述第二圆锥形表面的一部分，以形成第二通量交互作用区；和

至少一个线圈，其缠绕在所述许多场磁极构件中的至少一者的周围，以形成作用场磁极构件。

74.根据权利要求73所述的转子-定子结构，其中所述转子-定子结构经配置以生成至少一个磁通量路径，所述磁通量路径被限制为仅横穿所述第一磁体、所述第二磁体、所述作用场磁极构件和所述第一和第二通量交互作用区。

75.根据权利要求73所述的转子-定子结构，其中所述第一极靴和所述第二极靴分别进一步包含第一极面和第二极面，其中

所述第一极面的至少一部分经定型以形成第一气隙，所述第一气隙的间隙厚度主要由所述第一圆锥形表面的所述部分与所述第一极面之间的距离界定，且

所述第二极面的至少一部分经定型以形成第二气隙，所述第二气隙的间隙厚度主要由所述第二圆锥形表面的所述部分与所述第二极面之间的距离界定，其中所述间隙厚度不大于所述第一磁体或所述第二磁体的平均直径的40％。

76.根据权利要求73所述的转子-定子结构，其中所述第一磁体和所述第二磁体每一者为双极磁体，所述第一磁体具有指向所述第一方向的北极且所述第二磁体具有指向所述第二方向的北极，所述第一方向和所述第二方向相差介于150度到180度之间的角度，

其中所述双极磁体中的每一者是单片的。

77.根据权利要求73所述的转子-定子结构，其中所述转子-定子结构经配置以接收电力作为进入所述至少一个线圈的电流以用于实施电马达。

78.根据权利要求73所述的转子-定子结构，其中所述第一磁体和所述第二磁体每一者为多极磁体，所述第一磁体具有多个北极和南极，所述北极和南极中的一者指向所述第一方向，且所述第二磁体具有多个北极和南极，所述北极和南极中的一者指向所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向相差介于150度到180度之间的角度。

79.根据权利要求73所述的转子-定子结构，其中所述转子-定子结构经配置以接收机械动力作为围绕所述轴的旋转运动以用于实施发电机。

80.根据权利要求73所述的转子-定子结构，其中所述至少一个线圈在轴向方向上大致延伸所述作用场磁极构件的长度，以减少从所述作用场磁极构件的周边的通量泄漏。

81.一种用于在电动力机中实施定子的场磁极构件，其包含：

中央场磁极构件部分，其经配置以接纳一组或一组以上绕组；

第一极靴，其耦合到所述中央场磁极构件部分，所述第一极靴包括经配置以面对第一磁体的第一极面；和

第二极靴，其耦合到所述中央场磁极构件部分，所述第二极靴包括经配置以面对第二磁体的第二极面，

其中所述第一极面和所述第二极面每一者包括经定型以形成具有大致均匀横截面的气隙的通量交互作用表面。

82.根据权利要求81所述的场磁极构件结构，其中所述通量交互作用表面经配置以将所述大致均匀的横截面在大致垂直于所述第一磁体或所述第二磁体上的至少一表面部分的平面中形成为弧形横截面。

83.根据权利要求82所述的场磁极构件结构，其中所述平面中的多个法向向量在所述通量交互作用表面上的点与所述表面部分上的点之间正交延伸，以界定所述弧形横截面，所述法向向量每一者具有大致均匀的长度。

84.根据权利要求83所述的场磁极构件结构，其中所述大致均匀的横截面为所述气隙提供大致均匀的厚度，所述均匀厚度增加所述第一极面与所述第一磁体之间或所述第二极面与所述第二磁体之间或两者的通量交互作用，从而增加输出转矩。

85.根据权利要求81所述的场磁极构件结构，其中所述通量交互作用表面包含经尺寸设定以生成最大转矩输出的表面区域，所述表面区域的尺寸被设定为至少所述场磁极构件与另一场磁极构件之间的距离的函数，以提供所述第一磁体和所述第二磁体与所述场磁极构件之间的最大磁耦合，且同时至少使所述场磁极构件与所述另一场磁极构件之间的泄漏最小化。

86.根据权利要求81所述的场磁极构件结构，其中所述场磁极构件中的至少一者是大致笔直的场磁极构件，其经配置以提供所述第一极靴与所述第二极靴之间的大致笔直的通量路径。

87.根据权利要求81所述的场磁极构件结构，其中所述通量交互作用表面进一步包含偏斜的通量交互作用表面，以使所述场磁极构件与另一场磁极构件之间的场磁极间隙偏斜，从而减小定位转矩。

88.根据权利要求87所述的场磁极构件结构，其中所述偏斜的通量交互作用表面包括界定所述场磁极间隙的第一侧的第一边缘和界定另一场磁极间隙的第二侧的第二边缘，藉此所述第一边缘和所述第二边缘维持不与所述第一磁体或所述第二磁体中的至少一者的极化方向对准的角度，其中所述场磁极构件的一个第一边缘和所述另一场磁极构件的一个第二边缘形成所述场磁极间隙。

89.根据权利要求81所述的场磁极构件结构，其中所述通量交互作用表面经定形以面对圆柱形永久磁体或圆锥形永久磁体的至少一部分。

90.根据权利要求81所述的场磁极构件结构，其经配置以当围绕所述场磁极构件缠绕线圈时减小或消除所述第一极靴与所述第二极靴之间的护铁，从而减少磁损耗以及减少用于制造电动力机的材料量。

91.根据权利要求81所述的场磁极构件结构，其中所述第一和所述第二极靴中的每一者进一步包含过渡区，所述过渡区以非正交角度将所述第一和所述第二极靴中的每一者与所述中央场磁极构件部分耦合，以降低所述中央场磁极构件部分与所述第一极靴或所述第二极靴或两者之间的通量路径的磁阻。

92.根据权利要求81所述的场磁极构件结构，其中所述场磁极构件进一步包含叠片。

93.根据权利要求81所述的场磁极构件结构，其中所述场磁极构件进一步包含叠片，以使得在轴向方向上延伸的中间平面将所述叠片的数量近似地一分为二，以使得在所述中间平面的一侧处，随着叠片经定位而远离所述中间平面，所述叠片大体上在至少一个维度上减小，其中所述叠片从由磁导材料组成的衬底中以减少所述磁导材料的浪费的配置形成。

94.根据权利要求81所述的场磁极构件结构，其中所述中央场磁极构件部分进一步包含与围绕旋转轴线的圆的一部分共同延伸的外周边表面，以减小所述场磁极构件的体积尺寸。

95.一种用于电动力机的转子-定子结构，其包含：

轴；

单个磁体结构，其具有一个或一个以上磁体表面且同轴附加在所述轴上，以使得所述一个或一个以上磁体表面的极化方向在每一者均大致垂直于所述轴线的一个或一个以上平面中延伸；

场磁极构件，其与所述轴线同轴布置且具有通量交互作用表面，所述通量交互作用表面形成在所述场磁极构件中的每一者的一端处且定位成邻近所述一个或一个以上磁体表面的面对所述通量交互作用表面的部分，所述通量交互作用表面和所述一个或一个以上磁体表面的所述部分界定气隙；和

通量承载构件，其用以完成穿过所述场磁极构件中的一者或一者以上和所述单个磁体结构的磁路，

其中所述通量交互作用表面经定型以为所述气隙中的每一者维持大致均匀的横截面。

96.根据权利要求95所述的转子-定子结构，其中所述大致均匀的横截面在大致垂直于所述一个或一个以上磁体表面的平面中是弧形横截面。

97.根据权利要求95所述的转子-定子结构，其中所述大致均匀的横截面为所述气隙中的每一者提供大致均匀的厚度，且增加所述一个或一个以上磁体表面与所述场磁极构件之间的通量交互作用，从而增加输出转矩。

98.根据权利要求95所述的转子-定子结构，其中所述通量交互作用表面每一者具有经尺寸设定以生成最大转矩输出的表面区域，所述表面区域的尺寸被设定为至少所述场磁极构件之间的距离的函数，以提供所述一个或一个以上磁体表面与所述场磁极构件之间的最大磁耦合，且同时至少使所述场磁极构件之间的泄漏最小化。

99.根据权利要求95所述的转子-定子结构，其中所述场磁极构件中的至少一者是大致笔直的场磁极构件，其经配置以提供所述场磁极构件中的每一者的所述一端与所述通量承载构件之间的大致笔直的通量路径。

100.根据权利要求95所述的转子-定子结构，其中所述通量交互作用表面中的每一者进一步包含偏斜的通量交互作用表面，以使相邻场磁极构件之间的场磁体间隙偏斜，从而使定位转矩最小化。

根据权利要求95所述的转子-定子结构，其中所述单个磁体结构是圆柱形永久磁体，且所述一个或一个以上磁体表面是圆柱形表面部分。

根据权利要求95所述的转子-定子结构，其中所述单个磁体结构是圆锥形永久磁体，且所述一个或一个以上磁体表面是圆锥形表面部分，其中所述圆锥形永久磁体附加在所述轴上，以面对一个轴向方向或另一轴向方向。

一种用于复激电动力机的转子-定子结构，其包含：

第一子组圆锥形磁体，其具有第一圆锥形表面且轴向布置在旋转轴线上，以使得所述第一圆锥形表面面对彼此；

第一子组第一场磁极构件，其与所述轴线同轴布置且具有通量交互作用表面，所述通量交互作用表面形成在所述第一场磁极构件的末端处且邻近所述第一圆锥形表面的面对所述通量交互作用表面的部分，所述通量交互作用表面和所述第一圆锥形表面的所述部分界定第一气隙；

第二子组圆锥形磁体，其具有第二圆锥形表面且轴向布置在所述旋转轴线上，以使得所述第二圆锥形表面面向彼此；

第二子组第二场磁极构件，其与所述轴线同轴布置且具有通量交互作用表面，所述通量交互作用表面形成在所述第二场磁极构件的末端处且邻近所述第二圆锥形表面的面对所述通量交互作用表面的部分，所述通量交互作用表面和所述第二圆锥形表面的所述部分界定第二气隙；和

轴，所述第一和所述第二子组圆锥形磁体附加在所述轴上，所述轴界定所述旋转轴线且延伸穿过所述第一和所述第二子组圆锥形磁体中的每一者。

根据权利要求103所述的转子-定子结构，其中所述第一子组圆锥形磁体被设置为与所述第二子组圆锥形磁体并联，以形成复激马达或复激发电机。

根据权利要求103所述的转子-定子结构，其中所述第一子组圆锥形磁体被设置为与所述第二子组圆锥形磁体串联，以形成串激马达或串激发电机。

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