CN104285366B - 具有增强的永久磁通密度的改进dc电动机/发电机 - Google Patents

Abstract

本公开内容一般而言涉及新型的改进电动机/发电机，并且尤其涉及用于通过由于电磁或几何配置而集中磁力，以从电磁电动机产生旋转运动或者从旋转运动输入产生电力的改进***和方法。

Description

具有增强的永久磁通密度的改进DC电动机/发电机

对相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2012年3月20日提交且标题为“An Improved Electric MotorGenerator”，序列号为61/613,022的美国临时专利申请的提交日期的权益，该申请的公开内容为了所有目的通过引用被结合于此。本申请还涉及于2013年3月20日提交且标题为“ANIMPROVED DC ELECTRIC MOTOR/GENERATOR WITH ENHANCED PERMANENT MAGNET FLUXDENSITIES”的美国申请，该申请的公开内容也为了所有目的通过引用被结合于此。

技术领域

本发明一般而言涉及新型改进的电动机/发电机，并且尤其涉及用于从电磁电动机产生旋转运动或者从旋转运动输入生成电力的改进***和方法。

背景技术

电动机使用电能产生机械能，非常典型地是通过磁场和载流导体的相互作用。通过电磁装置把电能转换到机械能首先是由英国科学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday)在1821年证明的并且随后通过亨德里克·洛伦兹(Hendrik Lorentz)的工作被量化。

当诸如电子的电荷载体通过空间或者在电导体中移动时，生成磁场。通过移动电荷载体(电流)产生的磁通线的几何形状类似于静电场中通量线的形状。除了某些例外(尤其是铁和镍)，磁通量在通过大部分金属时都只有很少影响或者没有影响。这两种金属，以及包含它们的合金和混合物，被称为铁磁材料，因为它们集中磁通线。最大场强度或磁通集中度的区域被称为磁极。

在传统的电动机中，当电流被施加时，紧紧缠绕的载流材料的中央核心(称为转子)产生磁极，转子以高速在磁体的固定极(称为定子)之间自旋或旋转。中央核心通常耦合到也绕转子旋转的轴。轴可以用来驱动旋转机器中的齿轮和轮子和/或把旋转运动转换成直线运动。

发电机通常基于由迈克尔·法拉第在1831年发现的电磁感应原理。法拉第发现，当导电材料(诸如铜)移动通过磁场时(或者反过来)，电流将开始流过那个材料。这种电磁效应把电压或电流感应到移动的导体中。

目前的发电装置(诸如旋转交流发电机/发电机和线***流发电机)依赖于法拉第的发现来产生功率。实际上，旋转发电机本质上是非常大量的电线在非常大的磁体内部周围自旋。在这种情况下，电线的线圈被称为电枢，因为它们关于固定的磁体(称为定子)移动。通常，移动的部件被称为电枢，而固定的部件被称为定子。

如今使用的电动机和发电机产生或利用正弦时变电压。这种波形对这些设备的操作是固有的。

在大部分常规的电动机中，不论是线性的电动机还是旋转的电动机，都必须在正确的时间脉动适当极性的足够功率，以便在每个磁极段供应反向(或吸引)力，以产生特定的转矩。在常规的电动机中，在任何给定的时刻，只有一部分线圈磁极片有效地供应转矩。

对于常规的电动机，必须施加足够量级的脉动电流，以产生给定的转矩/马力。于是，马力输出和效率是设计、电气输入功率加损耗的函数。

对于常规的发电机，在转子旋转的时候产生电流。所生成的功率是磁通强度、导体尺寸、磁极片个数和以RPM为单位的速度的函数。但是，输出是正弦输出，具有与常规电动机中所示相同的损耗。

另一方面，常规的线性电动机/发电机可以被想象成被切开并且未缠绕的典型电动机/发电机。“定子”以由铝或铜制成的扁平线圈轨迹的形式展开并且被称为线性电动机的“一次侧”。“转子”采取 被称为“二次侧”的移动平台的形式。当电流接通时，二次侧滑行通过由磁场支持并推动的一次侧。线性发电机以相同的方式工作，但是机械能提供移动转子或二次侧通过磁场的力。

在传统的发电机和电动机中，脉动时变磁场产生不期望的效应和损耗，即，铁磁滞损耗、反电动势(Counter-EMF)、感应反冲(kickback)、涡流、浪涌电流、转矩波动(ripple)、热损耗、齿槽(cogging)、电刷损耗、电刷设计中的火花(sparking)及高磨损、换向损耗以及永磁体的磁抖(magnetic buffeting)。在许多情况下，使用复杂的控制器来代替机械换向，以解决这些效应中的一些。

在利用永磁体的电动机和发电机中，期望增加磁通密度来实现更高效的操作。如今使用的大部分永磁体电动机/发电机依赖于诸如钕磁体的永磁体。这些磁体是人造磁性材料中最结实的。由于它们对工业的战略价值以及高成本，因此期望在不依赖于这些磁体的材料成分的突破或者制造高密度专用磁体形状和尺寸的情况下增加磁通密度。

在电动机或发电机中，某种形式的能量驱动转子的旋转和/或运动。随着能源变得更稀缺和昂贵，所需要的是更高效的电动机和发电机，以降低能源成本。

发明内容

响应于这些和其它问题，提出了在本申请中公开的各种实施例，包括通过永磁体操纵来增加磁通密度的方法和***。具体而言，是利用商业可用的形状或尺寸增加磁通密度的方法和***，其中商业可用的形状或尺寸可以基于更低成本而不是磁通密度来选择。还描述了通过把耦合到铁芯的一个或多个线圈移动到具有增加磁通密度的磁体组件中来产生机械能或者在线圈被机械推动通过具有增加磁通密度的磁体组件时产生电输出功率的方法。在某些方面，在磁筒或磁体组件中，磁通线由永磁体或电磁体的配置产生并增加并且被约束在磁筒或磁体组件中，一直到在预定的位置离开。

在某些实施例中，是产生电压的装置或***权利要求，例如，可 以是：

用于生成DC电压的***，特征在于：用于在磁筒的圆周部分周围集中相似极化的磁通力的装置，以产生包括堆叠的多个相似极化的磁通力的磁集中区域；用于把线圈段耦合到纵向轴的装置，使得当该纵向轴旋转时，线圈段移动到集中区域中；用于在磁集中区域中的多个磁通力被压缩时在线圈段中产生电压的装置；以及用于从线圈段除去电压的装置。

还可以是以上***，特征还在于：用于在磁筒的附加圆周部分周围集中相似极化的磁通力的装置，以产生包括附加堆叠的多个相似极化的磁通力的附加磁集中区域，其中该附加磁集中区域位于径向远离所述磁集中区域；用于把附加线圈段耦合到纵向轴的装置，使得当该纵向轴旋转时，附加线圈段移动到附加集中区域中；用于在磁集中区域中的多个磁通力被压缩时在附加线圈段中产生附加电压的装置；以及用于从线圈段除去电压的装置。

还可以是以上***，其中该***的特征还在于：用于在位于纵向远离所述磁筒的附加磁筒的圆周部分周围集中相似极化的磁通力的装置，以便在附加磁筒中产生包括附加堆叠的多个相似极化的磁通力的附加磁集中区域；用于把位于附加筒中的附加线圈段耦合到纵向轴的装置，使得当该纵向轴旋转时，附加线圈段移动到附加集中区域中；用于在附加磁集中区域中的多个磁通力被压缩时在附加线圈段中产生附加电压的装置；以及用于从附加线圈段除去附加电压的装置。

还可以是以上***，特征还在于：用于在附加磁筒的附加圆周部分周围集中相似极化的磁通力的装置，以产生包括第二附加堆叠的多个相似极化的磁通力的第二附加磁集中区域，其中第二附加磁集中区域位于径向远离附加磁集中区域；用于把位于附加筒中的第二附加线圈段耦合到纵向轴的装置，使得当该纵向轴旋转时，第二附加线圈段移动到第二附加集中区域中；用于在第二附加磁集中区域中的多个磁通力被压缩时在第二附加线圈段中产生第二附加电压的装置；以及用于从第二附加线圈段除去第二附加电压的装置。

还可以是产生机械能的***或装置权利要求，例如：用于产生轴的径向运动的***，该***特征在于：用于在磁筒的圆周部分周围集中相似极化的磁通力的装置，以产生包括堆叠的多个相似极化的磁通力的磁集中区域；用于把线圈段径向移动到该磁集中区域中的装置；用于对线圈段施加电流以改变磁集中区域中多个磁通力的装置；用于在线圈段上产生排斥磁力以便把线圈段移出磁集中区域的装置；以及用于把线圈段耦合到纵向轴的装置，使得，当线圈段移出集中区域时，轴以径向方式旋转。

还可以是以上***，特征还在于：用于在磁筒的附加圆周部分周围集中相似极化的磁通力的装置，以产生包括附加堆叠的多个相似极化的磁通力的附加磁集中区域，其中该附加磁集中区域位于径向远离所述磁集中区域；用于把附加线圈段径向移动到该附加磁集中区域中的装置；用于对该附加线圈段施加附加电流以改变附加磁集中区域中多个磁通力的装置；用于在附加线圈段上产生附加排斥磁力以便把附加线圈段移出附加磁集中区域的装置；以及用于把附加线圈段耦合到纵向轴的装置，使得，当附加线圈段移出附加集中区域时，附加线圈段有助于径向轴旋转。

还可以是以上***，特征还在于：用于在纵向远离所述磁筒的附加磁筒的圆周部分周围集中相似极化的磁通力的装置，以产生包括附加堆叠的多个相似极化的磁通力的附加磁集中区域；用于把附加线圈段径向移动到该附加磁集中区域中的装置；用于对该附加线圈段施加附加电流以改变附加磁集中区域中附加的多个磁通力的装置；用于在附加线圈段上产生附加排斥磁力以便把附加线圈段移出附加磁集中区域的装置；以及用于把附加线圈段耦合到纵向轴的装置，使得，当附加线圈段移出附加集中区域时，附加线圈段有助于径向轴旋转。

还可以是以上***，特征还在于：用于在附加磁筒的附加圆周部分周围集中相似极化的磁通力的装置，以产生包括第二附加堆叠的多个相似极化的磁通力的第二附加磁集中区域，其中该第二附加磁集中区域位于径向远离所述附加磁集中区域；用于把第二附加线圈段径向 移动到该第二附加磁集中区域中的装置；用于对该第二附加线圈段施加第二附加电流以改变第二附加磁集中区域中多个磁通力的装置；用于在第二附加线圈段上产生第二附加排斥磁力以便把第二附加线圈段移出第二附加磁集中区域的装置；以及用于把第二附加线圈段耦合到纵向轴的装置，使得，当第二附加线圈段移出第二附加集中区域时，第二附加线圈段有助于径向轴旋转。

还公开了产生集中区域的装置，该装置可以包括：以上***，特征还在于：用于在磁筒中定位纵向磁体的装置，使得纵向磁体具有与轴的纵轴平行的纵轴并且纵向磁体的磁极横穿轴的纵轴；用于在磁筒中定位第一横向磁体的装置，使得第一横向磁体的磁极与轴的纵轴平行；用于在磁筒中定位第二横向磁体的装置，使得第二横向磁体的磁极与轴的纵轴平行，使得相似极化的磁极全部面朝一个区域，以产生磁集中区域。

还可以是以上***，特征还在于：位于磁筒中的第一磁体，位于磁筒中的第二磁体，使得第一和第二磁体的相似极化的磁极面朝一个区域，以产生磁集中区域。

还可以是以上***，特征还在于：其中用于集中的装置进一步特征在于位于磁筒中的第三磁体，使得第一磁体、第二磁体和第三磁体的相似极化的磁极面朝一个区域，以产生磁集中区域。

还可以是以上***，特征还在于：其中用于集中的装置进一步特征在于在磁筒中定位附加磁体，使得第一磁体、第二磁体、第三磁体和附加磁体被定位成使得多个附加磁体的极化磁极面朝一个区域，以产生磁集中区域。

还可以是以上***，特征还在于：其中用于集中的装置进一步特征在于位于磁筒中的电磁体，以产生磁集中区域。

还可以是以上***，特征还在于：位于磁筒中的第一磁体，位于磁筒中的第二磁体，把第一磁体耦合到第二磁体并且位于第一磁体和第二磁体之间的铁芯，缠绕在铁芯周围的导电材料，以及用于对导电材料施加电流以便产生磁集中区域的装置。

还公开了产生DC电压的方法权利要求：诸如产生DC电压的方法，该方法特征在于：在磁筒的圆周部分周围集中相似极化的磁通力，以产生包括堆叠的多个相似极化的磁通力的磁集中区域；把线圈段耦合到纵向轴，使得，当该纵向轴旋转时，线圈段移动到集中区域中；当磁集中区域中的多个磁通力被压缩时，在线圈段中产生电压；从线圈段除去电压。

以上权利要求的方法，特征还在于：在磁筒的附加圆周部分周围集中相似极化的磁通力，以产生包括附加堆叠的多个相似极化的磁通力的附加磁集中区域，其中附加磁集中区域位于径向远离所述磁集中区域；把附加线圈段耦合到纵向轴，使得，当该纵向轴旋转时，附加线圈段移动到附加集中区域中；当磁集中区域中的多个磁通力被压缩时，在附加线圈段中产生附加电压；从线圈段除去电压。

以上权利要求的方法，其中该方法特征还在于：在位于纵向远离所述磁筒的附加磁筒的圆周部分周围集中相似极化的磁通力，以便在附加磁筒中产生包括附加堆叠的多个相似极化的磁通力的附加磁集中区域；把位于附加筒中的附加线圈段耦合到纵向轴，使得，当该纵向轴旋转时，附加线圈段移动到附加集中区域中；当附加磁集中区域中的多个磁通力被压缩时，在附加线圈段中产生附加电压；从附加线圈段除去附加电压。

以上权利要求的方法，特征还在于：在附加磁筒的附加圆周部分周围集中相似极化的磁通力，以产生包括第二附加堆叠的多个相似极化的磁通力的第二附加磁集中区域，其中第二附加磁集中区域位于径向远离附加磁集中区域；把位于附加筒中的第二附加线圈段耦合到纵向轴，使得，当该纵向轴旋转时，第二附加线圈段移动到第二附加集中区域中；当第二附加磁集中区域中的多个磁通力被压缩时，在第二附加线圈段中产生第二附加电压；从第二附加线圈段除去第二附加电压。

此外，还可以是产生DC机械能的方法，诸如：产生轴的径向运动的方法，该方法特征在于：在磁筒的圆周部分周围集中相似极化的 磁通力，以产生包括堆叠的多个相似极化的磁通力的磁集中区域；把线圈段径向移动到该磁集中区域中；对线圈段施加电流以改变磁集中区域中多个磁通力；在线圈段上产生排斥磁力以便把线圈段移出磁集中区域；以及把线圈段耦合到纵向轴，使得，当线圈段移出集中区域时，轴以径向方式旋转。

以上权利要求的方法，特征还在于：在磁筒的附加圆周部分周围集中相似极化的磁通力，以产生包括附加堆叠的多个相似极化的磁通力的附加磁集中区域，其中该附加磁集中区域位于径向远离所述磁集中区域；把附加线圈段径向移动到该附加磁集中区域中；对该附加线圈段施加附加电流以改变附加磁集中区域中的多个磁通力；在附加线圈段上产生附加排斥磁力以便把附加线圈段移出附加磁集中区域；以及把附加线圈段耦合到纵向轴，使得，当附加线圈段移出附加集中区域时，附加线圈段有助于径向轴旋转。

以上权利要求的方法，特征还在于：在纵向远离所述磁筒的附加磁筒的圆周部分周围集中相似极化的磁通力，以产生包括附加堆叠的多个相似极化的磁通力的附加磁集中区域；把附加线圈段径向移动到该附加磁集中区域中；对该附加线圈段施加附加电流以改变附加磁集中区域中的附加的多个磁通力；在附加线圈段上产生附加排斥磁力以便把附加线圈段移出附加磁集中区域；以及把附加线圈段耦合到纵向轴，使得，当附加线圈段移出附加集中区域时，附加线圈段有助于径向轴旋转。

以上权利要求的方法，特征还在于：在附加磁筒的附加圆周部分周围集中相似极化的磁通力，以产生包括第二附加堆叠的多个相似极化的磁通力的第二附加磁集中区域，其中该第二附加磁集中区域位于径向远离所述附加磁集中区域；把第二附加线圈段径向移动到该第二附加磁集中区域中；对该第二附加线圈段施加第二附加电流以改变第二附加磁集中区域中的多个磁通力；在第二附加线圈段上产生第二附加排斥磁力以便把第二附加线圈段移出第二附加磁集中区域；以及把第二附加线圈段耦合到纵向轴，使得，当第二附加线圈段移出第二附 加集中区域时，第二附加线圈段有助于径向轴旋转。

如上，还可以是产生集中区域的方法：诸如以上权利要求的方法，其中集中进一步特征在于：在磁筒中定位纵向磁体；使得纵向磁体具有与轴的纵轴平行的纵轴并且纵向磁体的磁极横穿轴的纵轴；在磁筒中定位第一横向磁体，使得第一横向磁体的磁极与轴的纵轴平行；在磁筒中定位第二横向磁体，使得第二横向磁体的磁极与轴的纵轴平行，使得相似极化的磁极全部面朝一个区域，以产生磁集中区域。

以上权利要求的方法，其中集中进一步特征在于：在磁筒中定位第一磁体，在磁筒中定位第二磁体，使得第一和第二磁体的相似极化的磁极面朝一个区域，以产生磁集中区域。

以上权利要求的方法，其中集中进一步特征在于在磁筒中定位第三磁体，使得第一磁体、第二磁体和第三磁体的相似极化的磁极面朝一个区域，以产生磁集中区域。

以上权利要求的方法，其中集中进一步特征在于在磁筒中定位第四磁体，使得第一磁体、第二磁体、第三磁体和第四磁体的相似极化的磁极面朝一个区域，以产生磁集中区域。

以上权利要求的方法，特征还在于其中集中进一步特征在于在磁筒中定位第五磁体，使得第一磁体、第二磁体、第三磁体、第四磁体和第五磁体的相似极化的磁极面朝一个区域，以产生磁集中区域。

以上权利要求的方法，特征还在于其中集中进一步特征在于在磁筒中定位附加磁体，使得第一磁体的相似极化的磁极和多个附加磁体的极化磁极面朝一个区域，以产生磁集中区域。

以上权利要求的方法，其中集中进一步特征在于在磁筒中定位电磁体，以产生磁集中区域。

以上权利要求的方法，其中集中进一步特征在于：在磁筒中定位第一磁体，在磁筒中定位第二磁体，在第一磁体和第二磁体之间定位铁芯，在铁芯周围定位导电材料，以及对导电材料施加电流以便产生磁集中区域。

以上权利要求的方法，其中集中进一步特征在于在磁筒中定位一 个或多个铁芯或相似的金属，以帮助产生磁集中区域。

在本文给出的某些方面当中，非脉动(non-pulsating)或非正弦的DC电流施加到电源端子，其中电源端子在线圈导体的每个长度产生洛仑兹(Lorentz)力。这个力在转子轮毂的整个旋转期间持续地施加，而没有幅度的变化或者输出功率的中断。没有磁极片来提供磁吸引或排斥，因此在磁极反转过程中没有转矩波动、极性反转或功率输出的中断，从而产生比传统电动机更高效的输出。

当所公开实施例的某些方面用作发电机时，非脉动或非正弦DC电流在电源端子产生。在线圈导体每个长度并且跨所有线圈的洛仑兹力感应出输出电流流动。这个输出在转子轮毂的整个旋转期间持续地施加，而没有振幅的变化或者输出功率的中断。没有磁极片来提供磁吸引或排斥，这比传统发电机更高效地产生电流输出。

本公开内容的某些方面减小或消除了以上讨论的传统发电机和电动机的不期望效应和损耗，包括铁磁滞损耗、反电动势、感应反冲、涡流、浪涌电流、转矩波动、热损耗、齿槽、电刷损耗、电刷设计的火花和高磨损、换向损耗以及永磁体的磁抖。

在结合附图考虑时，这些和其它特征以及优点将从以下具体描述得到更清晰的理解。

附图不是要代表本发明的唯一方面，指出这一点很重要。

附图说明

图1是环形磁筒的横截面图，示出了具有铁芯的磁筒中和周围磁通路径的代表性“平面”部分。

图2a是图1环形磁筒的等轴和局部剖视图。

图2b是图1环形磁筒的详细局部剖视图，示出了在筒内部中生成的平面磁场或磁通壁。

图3是转子轮毂组件的概念性等轴视图。

图4是转子轮毂组件的概念性等轴视图，其中线圈位于转子组件上。

图5是利用转子轮毂组件的电动机/发电机组件的概念性横向剖视图，示出了电源端子和分段的单滑环(single slip ring)电刷组件配置。

图6是图5电动机/发电机组件的概念性纵向剖视图。

图7是示出线圈的一部分与滑环段之间的耦合***的一种实施例的横向剖视图，其中滑环段可以与图5的电动机/发电机一起使用。

图8a是磁环的等轴视图。

图8b是磁环的可替换实施例的一部分的详细等轴视图。

图8c是磁环的可替换实施例的一部分的详细等轴视图。

图8d是磁环的可替换实施例的一部分的详细等轴视图。

图9a是磁筒线圈组件的等轴分解视图。

图9b是图9a的组装好的磁筒线圈组件的等轴视图。

图9c是位于电动机/发电机组件中的图9a的组装好的磁筒线圈组件的纵向剖视图。

图9d是图9c电动机/发电机组件中图9a的组装好的磁筒线圈组件的纵向剖视图，示出了电耦合到磁筒线圈组件各种线圈的电刷***。

图10a是当线圈段不处于通电状态时可替换的电动机/发电机组件的剖视图。

图10b是当线圈段处于通电状态时图10a的电动机/发电机组件的剖视图。

图11a是可替换的组装好的磁筒线圈组件的等轴视图。

图11b是位于可替换的电动机/发电机组件中的图10a组装好的磁筒线圈组件的纵向等轴剖视图。

图11c是图10b的电动机/发电机组件中的图10a组装好的磁筒线圈组件的纵向剖视图。

图11d是图10b的电动机/发电机组件中的图10a组装好的磁筒线圈组件的纵向剖视图，示出了电耦合到磁筒线圈组件各种线圈的电刷***。

图12是位于电动机/发电机组件中的可替换磁筒线圈组件的纵向 剖视图。

图13a和13b示出了可以代替常规磁体在本公开内容中所讨论的各种磁筒中使用的混合电磁体组件。

具体实施方式

为了简化本公开内容，以下描述部件、信号、消息、协议和布置的具体例子。当然，这些仅仅是例子而且不旨在限定在权利要求中所描述的本发明。给出众所周知的元件，但不详细描述，以便不以不必要的细节模糊本发明。对于大部分来说，对获得本发明完整理解不必要的细节被略去，因为这种细节在相关领域普通技术人员的技能范围之内。关于本文所述的控制电路、电源或用于给某些部件或元件供电的电路***的细节被略去，因为这种细节在相关领域普通技术人员的技能范围之内。

当在本公开内容中讨论方向时，诸如上、下、顶部、底部、顺时针或逆时针，这种方向意味着仅仅为所示出的图以及为图中的部件的朝向提供参考方向。这些方向不应当认为暗示在任何产生的发明或实际使用中所使用的实际方向。在任何情况下这种方向都不应当认为是限定或暗示对权利要求的意义。

如今使用的大部分电动机和发电机需要或产生被称为交流(AC)的正弦时变电压。当使用直流时，它必须首先被反转和脉动，以重复AC波形来产生期望的电流或机械输出。本发明的某些实施例既不产生也不利用交流，而是直接产生或利用非正弦直流，而不需要整流或换向。这导致交流电流损耗的消除并且导致输入或输出功率的更高效利用。但是，本发明的某些方面可以接受任何整流后的A/C电流并且因此可以对输入电源相位调整“视而不见”。因而，依赖于该配置，对于输入电力，简单整流后的单相、两相、三相电力等等全都是可以接受的。

现在转向图1，是环形磁筒100的一种实施例的横截面图，示出了磁筒中或周围的代表性平面磁通路径101。这些是代表性的示出； 实际的磁通路径依赖于磁筒内磁体的材料设计和具体配置。磁筒100包括外部筒壁102和内部筒壁104。外部筒壁102和内部筒壁104可以利用多个磁体制成。在横向剖视图中，诸如图1中所示出的，可以看到外部筒壁102由多个磁体106组成，包括单个的磁体，诸如磁体106a、106b、106c等等。类似地，内部筒壁104可以由多个磁体108组成，包括单个的磁体108a、108b等等。应当指出，磁体的极性中只有一个在磁筒或磁体组件中使用(或面向其中)。

在某些实施例中，可以有位于外壁102和内壁104之间的中央铁芯110，但是，当考虑诸如强度、涡流减小、冷却通道等设计考虑时，也可以使用其它芯材料。

在某些实施例中，多个磁体106和磁体108可以由任何合适的磁性材料制成，诸如：钕、亚力可(Alnico)合金、陶瓷永磁体，或者电磁体。在某些实施例中，在对应的多个磁体中的每个磁体106a或108a具有1”×1”×1”的尺寸。磁体或电磁体的确切数量将依赖于所需的磁场强度或机械配置。基于某些商业可用的磁体，所示出的实施例仅仅是布置磁体的一种方式。其它布置也是可以的——尤其是如果磁体为这个特殊目的而制造的话。

当多个磁体106和108布置到外壁102和内壁104中以形成筒100时，磁通线101将形成特定的模式，如由图1中所示出的磁通线以概念方式表示的。磁通线101的实际形状、方向和朝向依赖于诸如材料成分、配置和内部扣环的使用之类的因子。例如，来自外壁上磁体106a的磁通线112a趋于从磁体的北极以与该磁体的面垂直的方式在磁筒100周围流动，并且通过开口端114流回，然后流经铁芯110并流回到磁体106a的包含其南极的面。类似地，来自外壁102上磁体106b的磁通线112b趋于从磁体的北极以与该磁体的面垂直的方式在磁筒100周围流动，并且通过开口端114流回，然后流经铁芯110并流回到磁体106b的包含其南极的面。虽然为了清晰只示出了几条磁通线112，但是多个磁体中每个相继的磁体将产生相似的磁通线。因而，多个磁体106中每个相继的磁体的磁通力趋于对多个磁体 106中每个相继的磁盘都沿着这些说明性磁通线或模式112，直到到达位于磁筒100的开口端114或116的磁体。

位于磁筒100的相对侧的磁体，诸如磁体106c，趋于从外壁102上的磁体106c生成磁通线112c，该磁通线112c趋于从磁体的北极以与该磁体的面垂直的方式在磁筒100周围流动，并且通过相对的开口端116流回，然后流经铁芯110并流回到磁体106c的包含其南极的面。虽然为了清晰在磁筒100的相对侧上只示出了几条磁通线112，但是多个磁体中每个相继的磁体将产生相似的磁通线。

在某些实施例中，内壁104也产生磁通线118。例如，来自内壁104上磁体108a的磁通线118a趋于从北极以与磁体面垂直的方式流动，经铁芯110在内壁104周围流动并且通过内壁104的径向中心流回到磁体108a的包含其南极的面。类似地，来自内壁104上磁体108b的磁通线118b趋于从北极以与磁体面垂直的方式流动，经铁芯110在内壁104周围流动并且通过内壁104的径向中心流回，然后回到磁体108b的包含其南极的面。

多个磁体108中每个相继的磁体的磁通力趋于对多个磁体108中每个相继的磁体沿着这些说明性磁通线或模式118，直到到达磁筒100的开口端114或116。因而，由筒100的内壁104的磁体产生的磁通具有通过磁筒的中心离开并且返回到其位于磁筒外部上的相对的极的通畅路径。

在有些实施例中，磁通线112和118将趋于发展成堆叠效应并且外部磁筒的配置操纵磁筒100中磁体的磁通线101，使得大部分或全部磁通线101流出筒100的开口端114和116。

在常规配置中，磁体相对的极通常纵向对准。因而，磁场磁通线“拥抱”或紧紧沿着磁体的表面。因此，当使用常规发电/用电装备时，空隙必须通常极紧，以便能够对这些力线起作用。通过相对于筒100的中心120径向对准相似的磁极，磁通线112和118在它们经过磁筒100的中心并且与磁体的表面垂直地辐射时趋于堆叠起来。这种配置允许线圈和磁筒100之间更大的容限。

在某些实施例中，铁芯110围绕磁筒100的中心120同心放置，使得铁芯离内壁104径向等距，从而产生如图1中所示出的代表性磁通模式101。磁通场或线在其接近铁芯时被吸到铁芯110中并被压缩。然后，磁通场可以建立能被想象为包围铁芯的一系列“磁通壁”，该磁通壁贯穿筒和出口点延伸。

现在转向图2a，给出了环形磁筒100的概念性等轴视图，具有位于磁筒中的中心铁芯110。图2b是环形磁筒100的详细部分视图，示出了结合铁芯110在磁筒100的内部腔体124中产生的平面磁场或磁通壁122。这些是代表性的示出；实际的磁通壁122依赖于材料设计和配置。

如图1、2a和2b中给出的筒100已经被概念化，以说明部分磁筒的基本磁通线或路径，其中铁芯同心地位于其壁的中空部分中。从实践的角度来说，铁芯或转子组件可以在磁筒100中定位铁芯110。

现在转向图3，给出了包括铁芯132、转子轮毂134和轴136的组件130的一种实施例的等轴视图。铁芯132类似于以上讨论的铁芯110。铁芯132和转子轮毂134利用本领域中已知的常规紧固方法固定到轴136。在某些实施例中，转子轮毂134可以由例如非铁材料组成，以消除涡流的产生。当与磁筒100组装时，磁筒(图3中未示出)的内壁104中的横向槽(未示出)允许铁芯132以及转子轮毂134的一部分延伸通过磁筒100的内壁104并进入内部腔体124(见图2b)。

在某些实施例中，通过横向槽的泄漏磁通可以通过在转子轮毂134的***中嵌入一系列或多个磁体138来减小或消除。这多个磁体138可以与筒100(图3中未示出)的筒磁体106类似地定向。在某些实施例中，该多个磁体138将与转子组件130一起移动。

在其它实施例中，铁芯132可以由两个或多个段140a和140b组成，这些段可以固定到一起，以形成完整的环或铁芯。这种配置可以具有允许在常规形式上建立多个线圈以随后添加到环段的益处。

图4示出了转子组件130的等轴视图，其中铁芯132包括铁芯段140a和铁芯段140b。单个线圈142a围绕铁芯段140a定位。在某些 实施例中，可以有多个线圈142，如图5中所示出的。

图5是结合磁筒100和转子轮毂134的电动机/发电机组件150的一种实施例的横向横截面图。图6是电动机/发电机组件150的纵向横截面图。电动机/发电机组件150可以使用与以上讨论的部件相似的部件，诸如磁筒100和转子轮毂134。图7是电动机/发电机组件150的一种实施例的横向横截面图，示出了关于多个线圈142中各个线圈之间的电流路径的附加细节。图7中所示出的线圈串联连接，但是串联或并联连接的任意组合都是可以的。附加的电刷位置可以依赖于设计需求和标准而添加。

在该说明性实施例中，电动机/发电机组件150具有纵向轴152。在某些实施例中，纵向轴152可以由铁或与铁具有相似磁属性的含铁化合物制成。在有些实施例中，含铁化合物或粉末可以悬浮在粘性材料(诸如绝缘液体、润滑剂、机油、凝胶或矿物油)当中。

在某些实施例中，可以有为磁筒100和纵向轴152提供结构性支撑的外壳或外罩154。在某些实施例中，外罩154可以由具有所需的结构强度的任何材料、合金或化合物形成。在某些实施例中，可以使用非铁材料。在有些实施例中，外部轴承156(图6)可以用来减小纵向轴152和外罩154或类似支撑结构之间的摩擦。在某些实施例中，外罩154可以耦合到基座158，以便为外罩154提供结构性支撑。

如关于图1、2a和2b所描述的，环形磁筒100可以包括形成外壁102的多个外部磁体106、形成内壁104的多个内部磁体108。此外，可以有第一侧壁170和相对侧壁172，它们包括多个侧面外部磁体106(见图5和6)。

在某些实施例中，如上所讨论的铁芯132围绕纵轴176同心定位并且在磁筒100的内部腔体124中。如上所述，在磁筒100的内壁104中形成的横向槽162允许转子轮毂134的一部分在内部腔体124中定位。转子轮毂134还耦合到铁芯132，其中铁芯132也在磁筒100的内部腔体124中定位。

多个线圈148(诸如线圈148a)围绕铁芯132径向定位，以形成 线圈组件182。线圈组件182中每个单个的线圈178a可以由导电材料(诸如铜(或类似的合金)线)制成并且可以利用本领域中已知的常规绕组技术构造。在某些实施例中，单个线圈178a的形状可以基本上是圆柱形的，围绕线圈铁芯(未示出)缠绕，线圈具有中心开口，其尺寸设计成允许单个线圈142a固定到铁芯132。

虽然在图5和7中示出了多个线圈142中特定数量的线圈，但是，依赖于电动机/发电机组件的功率需求，任何数量的线圈都可以用来组装线圈组件182。

在某些实施例中，如图6和图7中所示出的，多个滑环段184把线圈组件182中的单个线圈142a彼此串联地电连接。可以利用线圈连接、滑环和电刷注入/拾取点的其它配置。例如，其它实施例可以使用两个不分段的滑环并且线圈彼此并联连接。

在有些实施例中，滑环段184经也可在外壳154中定位的多个电刷186和188(图6)与电流源电连通，以便向线圈组件182中的多个线圈142提供电流。在某些实施例中，电刷186可以是正电刷，而电刷188可以是负电刷。在某些实施例中，电感耦合也可以用来把功率传送到线圈或者反之亦然。

当在“电动机模式”中，将电力施加到电源端子190和192时，多个线圈142中的某些线圈移动通过磁筒100并且只“看到”与以上参考图2b讨论的磁通壁类似的“磁通壁”。多个线圈142基本上不受铁芯132内磁通的方向的影响，因而多个线圈根据“右手规则”在整个筒100中移动。但是，在多个线圈142中某些线圈离开磁筒100本身并且穿过开口段194的短时间内，有可能它们还会有助于所产生的转矩。在这个过渡时期，磁通现在在其到磁筒100外壁的路径上离开铁芯132，其中该路径与磁筒内磁通力的方向相反，因而必须为多个线圈142中每个线圈都提供反转的极性来有助于转矩。

在负电刷188的接触区域处，电流被分到两条路径中，一条路径通过磁筒100本身当中的多个线圈返回，另一条路径被路由通过位于开口段194中的线圈。因而，自动地为多个线圈142中单个线圈提供 正确的极性，如图7中所示出的。

在发电机模式中，当多个线圈142由于轴152被旋转而移动通过磁筒100时，磁筒中的线圈只看到“磁通壁”(如参考图2b所讨论的)。它们可以不受铁芯内磁通方向的影响，因而线圈贯穿它们通过磁筒100的整个行程都产生功率。但是，在它们离开筒100本身并且穿过开口段194的短时间内，也可能线圈还有助于所产生的功率。在线圈处于开口段194中这个过渡时期，磁通现在在其到磁筒100的外壁102、104、170和172的路径上离开铁芯132，但是，这个路径在与磁筒中磁通力相反的方向。因而，线圈组件182也可以产生依赖于设计需求可使用的有用功率。

如果期望从电路中除去开口段线圈，则二极管整流器可以添加到每个线圈的一侧，以限制电流流动到特定的方向。

如众所周知的，几乎所有常规磁体都具有磁极。磁极通常是磁体两个区域中任何一个，通常指定为北和南，在磁极磁场或磁通密度最强。图8a至8d示出了可以在磁环或磁筒中用来产生一个磁极(诸如北或南极)的集中磁通密度的典型永磁体的组合。这种磁体可以是传统的磁体、电磁体，或者本申请中随后讨论的电-永磁体混合体。此外，铁、铁粉或其它磁性材料也可以添加到筒的铁芯区域，用于增加磁通密度和集中度(未示出)。

不是使用如上所述的磁筒100，可替换的磁环或磁筒200可以由单排磁体组成，诸如图8a中所示出的。如图8a中所示出的，多个磁体(诸如磁体202a)的全部相同或相似的磁极(例如，南极)都面向内。这种磁环200可以用在电动机或发电机中，但是磁场的强度或磁通场的密度(并且因此电动机或发电机)将主要依赖于多个磁体202中单个磁体202a的强度。

图8b是磁环的一部分210的等轴示出，其中每个部分210都包括磁体212和磁体214。定位磁体212和磁体214，使得磁环具有如图8b中所示出的“V”横截面形状并且其中，即使各个磁体的强度保持相同，彼此面对的相同磁极在喉口处增加了磁场强度或磁通密度。为了本公开内容的目的，这种配置可以被称为“2x”磁筒组件，其中术语“x”指示每磁体表面面积磁通密度的近似增加(而且不一定是所使用的磁体个数)。这种配置可以在选定的磁极离开区域211增加磁通密度大约两倍。折叠或压缩“V”进一步集中磁通密度但是以更小的离开区域211为代价。

图8c是磁环的一部分220的等轴示出，其中每个部分220都包括磁体222、磁体224和磁体226。定位磁体222、磁体224和磁体226，使得磁环具有如图8c中所说明的“U”横截面形状并且，其中即使各个磁体的强度保持相同，每个磁体的相同磁极面面向内增加了磁场强度或磁通密度。为了本公开内容的目的，这种配置可以被称为“3x”概念性磁筒组件。这种配置可以在选定的磁极离开区域221增加磁通密度大约三倍。折叠或压缩“U”(即，把磁体224朝着磁体222移动)进一步集中磁通密度但是以更小的离开区域221为代价。

图8d是磁环的一部分230的等轴视图，其中每个部分230都包括磁体232、磁体234、磁体236、磁体238和磁体240(在图8d中不可见)。相对于磁体234定位磁体232，使得它们的相同磁极面向彼此并且相对于磁体238定位磁体236，使得它们的相同磁极面向彼此。换句话说，磁体236至238的所有南极都面向内。此外，磁体240位于由磁体232至238形成的“管”的背面上，以产生如图8d中所示出的开口盒子的形状或立方体。为了本公开内容的目的，这种配置可以被称为“5x”概念性磁筒组件。这种配置可以在选定的磁极离开区域231增加磁筒密度大约五倍。折叠或压缩该盒子区域(例如，把磁体236朝着磁体238移动)进一步集中磁通密度但是以更小的离开区域231为代价。

为了简化和清晰，与以上所述相同或相似的那些部分或部件的描述在这里将不再重复。为了达到对可替换实施例有完整的理解，对以下描述应当参考前面的段落。

现在转向图9a至9d，给出了可替换实施例或3x设计，该设计集中磁场或磁通线，以提高电动机或发电机的效率。图9a是磁筒线 圈组件300的等轴分解视图。图9b是组装好的磁筒线圈组件300的等轴视图。图9c是电动机/发电机组件350中组装好的磁筒线圈组件300的纵向横截面图。图9d是电动机/发电机组件350中组装好的磁筒线圈组件300的纵向横截面图，示出了电耦合到磁筒线圈组件各种线圈的电刷***。虽然示出了每个环形筒有四个电刷，但是电刷的实际数量依赖于众所周知的工程设计因子，诸如磨损和载流能力。

现在转向图9a和图9b，是增强磁通的环形铁芯磁筒组件300。在有些方面，磁筒组件300的这些部件中许多都是利用如上所述增强的磁筒概念组装的。应当指出，只有一个磁极被使用(即，北极或南极)并且贯穿磁筒300的整个长度和宽度集中。

在某些实施例中，导体缠绕的线圈组件310包括可以由铁、铁粉合成物或其它磁性/非磁性铁芯材料构成的铁芯312。导电材料314(诸如铜线)围绕铁芯312缠绕，以形成一个或多个线圈。因而，线圈组件310可以由一个或多个线圈段组成。尤其是在无电刷设计中，通过选择性地在串联和并联连接的不同组合中连接线圈段而不改变***供电电压，多个线圈段允许速度控制。出于举例的目的，线圈组件310的某些实施例可以包括二十四(“24”)个线圈段，这允许串联-并联连接的多种可能组合，从而产生多个输出速度或输出功率。当需要持续变化的速度或转矩需求时，输入电压可以相应地调整并且，如果需要，就与线圈段之间串联-并联连接的简单中继或切换步进控制相结合。线圈组件310通常是环形，这允许内部纵向磁筒315滑过线圈组件的中心孔316。

如所示出的，内部磁筒315包括一系列或多个磁体318并且横穿纵轴302，其中北极径向面朝外。因此，当组装时，多个磁体318的北极将面向线圈组件310的铁芯312。第一侧或第一端磁环组件320定位成挨着线圈组件310。在某些实施例中，第一侧磁环组件320包括布置在径向模式中的多个磁体322，其中这多个磁体中每个磁体322a的磁极通常以并联方式与纵轴302对准。如所示出的，这多个磁体322的北极朝着铁芯312或线圈组件310面向内。

在某些实施例中，第二侧或第二端磁环组件330包括布置在径向模式中的多个磁体332，其中该多个磁体中每个磁体332a的磁极通常以并联方式与纵轴302对准。如所示出的，该多个磁体332的北极朝着线圈组件310面向内。

当组装时，根据关于图8a至图8d的讨论很显然，线圈组件300使用3x磁通集中器设计来集中磁通力强度或磁场。

图9c是结合磁筒300的电动机/发电机组件350的一种实施例的纵向横截面图。电动机/发电机组件350可以使用与以上讨论的部件相似的部件，诸如磁筒100和转子轮毂134。

在所示出的实施例中，电动机/发电机组件350具有纵向轴352。在某些实施例中，纵向轴352可以由铁、钢或者与铁具有相似磁属性的铁氧体化合物制成。在某些实施例中，纵向轴352可以包括铁氧体化合物或粉末。在有些实施例中，铁氧体化合物或粉末可以悬浮在粘性材料(诸如绝缘液体、润滑液、机油、凝胶或矿物油)当中，以减小或消除涡流和磁滞。

在某些实施例中，可以有为磁筒300和纵向轴352提供结构性支撑的外壳或外罩354。在某些实施例中，外罩354可以由具有所需结构强度的任何材料、合金或化合物形成。在某些实施例中，可以使用非铁质材料。在有些实施例中，外部轴承(未示出)可以用来减小纵向轴352和外罩354或类似支撑结构之间的摩擦。在某些实施例中，外罩354可以耦合到基座(未示出)，以便为外罩354提供结构性支撑。

如图9c中所示出的，磁筒300可以是3x无电刷组件，其中磁体组件(例如，纵向磁筒315、第一侧磁环320和第二侧磁环330)充当转子，而环形线圈组件310固定。这种配置的优点在于当期望电动机/发电机输出的连续控制时，使用其导体引线可以被带到单个位置(未示出)的线圈段，允许通过简单切换串联-并联组合并结合改变电压输入进行步进的速度控制。连接轮毂340以常规方式把磁筒315耦合到轴302。

图9d示出了作为3x集中电刷式“侧壁”电刷组件的磁筒300。这个组件可以容易地结合到在以下图11a至11d中所示出的模块化组件500中。在某些实施例中，模块化组件500可以是螺栓紧固模块化组件，在选择不同的机制或电输出时，该组件允许更大的灵活性，而不需要大的设计变化。工程设计需求和设计考虑将确定磁筒和线圈组件的最大数量。

现在转向图10a和10b，给出了可替换实施例或3x设计，该设计集中磁场或磁通线401，以提高电动机或发电机450的效率。图10a是电动机/发电机组件450中组装好的磁筒线圈组件400的纵向横截面图，其中线圈段410a不处于通电状态。图10b是当线圈段410a处于通电状态时电动机/发电机组件450的纵向横截面图(即，电流/电压移动通过导电材料414)。

除内部并联磁筒315位于侧面磁环组件420和430外部以外，增强磁通的环形铁芯磁筒组件400类似于铁芯磁筒组件300。

在某些实施例中，导体缠绕的线圈组件410包括可以由铁、铁粉合成物或其它磁性/非磁性芯材料形成的铁芯412，类似于以上讨论的铁芯312。类似于导电材料314，导电材料414围绕铁芯412缠绕，以形成一个或多个线圈或诸如线圈段410a的线圈段。因而，线圈组件410可以由如上参考线圈组件310所述的一个或多个线圈段组成。

线圈组件410通常是环形的，这允许连接轮毂417把线圈组件410耦合到纵向轴452。在某些实施例中，连接轮毂可以耦合到滑环(未示出)或电刷419。

如所示出的，外部磁筒415包括一系列或多个磁体418，其中北极朝着铁芯412和纵轴402径向面朝内。第一侧磁环组件420定位成挨着线圈组件410。在某些实施例中，第一侧磁环组件420包括以径向模式布置的多个磁体422，其中这多个磁体中每个磁体422a的磁极一般都以并联方式与纵轴402对准。如所示出的，这多个磁体422的北极朝着铁芯412面向内。

在某些实施例中，第二侧磁环组件430包括以径向模式布置的多 个磁体432，其中这多个磁体中每个磁体432a的磁极一般都以并联方式与纵轴402对准。如所示出的，这多个磁体432的北极朝着铁芯412面向内。

在说明性的实施例中，电动机/发电机组件450具有纵向轴452。在某些实施例中，纵向轴452可以类似于以上讨论的纵向轴352。

在某些实施例中，可以有为线圈组件410和纵向轴452提供结构性支撑的外壳或外罩454(类似于以上讨论的外罩354)。在有些实施例中，外部轴承(未示出)可以用来减小纵向轴452和外罩454或类似支撑结构之间的摩擦。

如图10a和10b中所示出的，磁筒400可以是3x无电刷组件，其中磁筒组件400(例如，外部磁环414、第一侧磁环420以及第二侧磁环430)充当定子，而环形线圈组件410充当转子。

图10a示出了在线圈通电之前3x磁筒组件部分中的代表性磁通路径。当电流在线圈段410a中建立时，图10a的永磁体磁通线401被推动到线圈段410a之外并且在磁环和铁芯或线圈段410a之间的剩余空间中被压缩，如图10b中所示出的。然后，洛仑兹力被施加到转子上，在电动机的情况下产生旋转而在发电机的情况下产生感应电流流动。所施加的力或者所建立的电压/电流流动由洛仑兹力计算来指示。

在电动机中，力等于以特斯拉(Tesla)为单位的磁通密度乘以安培数乘以以米为单位的导体长度。在发电机中，电压等于以特斯拉为单位的磁通密度乘以速度乘以以米为单位的导体长度。在本申请中给出的所有配置中，使用这些基本计算。

现在转向图11a至11d，给出了可替换模块化实施例，其中每个模块都使用集中磁场或磁通线的3x设计，以提高电动机或发电机的效率。图11a是组装好的磁筒线圈组件500的等轴视图。图11b是电动机/发电机组件550中组装好的磁筒线圈组件500的纵向等轴横截面图。图11c是电动机/发电机组件550中组装好的磁筒线圈组件500的纵向剖视图。图11d是电动机/发电机组件550中组装好的磁筒线 圈组件500的纵向剖视图，示出了电耦合到磁筒线圈组件各种线圈的示例性电刷***。

现在转向图11a和11b，是增强磁通的环形铁芯磁筒组件500。在有些方面，磁筒500的这些部件中许多都是利用如上所述的增强磁筒概念组装的。磁性组件500基本上是三个磁筒100(以上所讨论过的)纵向组装为单个筒形组件(具有如以下解释的某些反转的极性)并且在公共轴上。

在某些实施例中，导体缠绕的线圈组件510a至510c包括与以上讨论过的铁芯312类似的铁芯512a至512c。铁芯512a至512c可以由铁、铁粉合成物或者其它磁性/非磁性铁芯材料形成。导电材料514a至514c(诸如铜线)在铁芯512a、铁芯512b和铁芯512c周围单个地缠绕，以便为每个线圈组件510a至510c形成一个或多个线圈段。如以上讨论的，每个线圈组件510a至510c中的多个线圈段都通过以串联和并联连接的不同组合选择性地连接线圈段来允许速度控制，而不改变***供电电压。

线圈组件510a至510c一般而言是环形形状，这允许内部磁筒515a至515c关于纵轴502环形定位。多个轮毂(诸如轮毂516a至516c)把纵向轴552耦合到内部磁筒515a至515c。

如所示出的，内部磁筒515a至515c每个都包括一系列或多个磁体518，这些磁体518定位成使它们的磁极径向与纵轴502垂直对准。第一端磁环组件520定位成挨着线圈组件510a。在某些实施例中，第一端磁环组件520包括以径向模式布置的多个磁体522，其中这多个磁体中每个磁体的磁极一般以并联方式与纵轴502对准(类似于以上讨论的环形组件320)。如所示出的，这多个磁体522的北极朝着铁芯512a面向内。

在某些实施例中，第二端磁环组件530包括以径向模式布置的多个磁体532，其中这多个磁体中每个磁体532a的磁极一般以并联方式与纵轴502对准。如所示出的，在图11c和11d中，这多个磁体532的北极朝着铁芯512c面向内。

如在图11c和11d中所示出的，磁筒500可以包括纵向彼此隔开并且共享相同的轴552和纵轴502的三个“磁筒”500a、500b和500c。在磁筒500的实施例中，单个磁筒500a、500b和500c交替更改磁极性。例如，磁体515a的北极朝着铁芯512a面向外。但是，磁体515b的北极远离铁芯512b面向内。类似地，磁体515c的北极朝着铁芯512c面向外。如果有更多单个的磁筒添加到磁筒组件500，则这种模式将继续。

换句话说，对于单个磁筒500a，被铁芯512a填充的空间具有利用来自磁体522、磁体515a以及磁环524的磁体的定位的“北极”极性填充的磁力。另一方面，对于单个磁筒500b，被铁芯512b填充的空间具有利用来自磁环524的磁体、磁体515b以及磁环526的磁体的定位的“南极”极性填充的磁力。对于单个磁筒500c，被铁芯512c填充的空间具有利用来自磁环526的磁体、磁体515c以及磁环532的磁体的定位的“北极”极性填充的磁力。

在某些实施例中，纵向轴552可以由铁、钢或者与铁具有相似磁属性的铁氧体化合物制成。在某些实施例中，纵向轴552可以包括铁氧体化合物或粉末。在有些实施例中，铁氧体化合物或粉末可以悬浮在粘性材料(诸如绝缘液体、润滑液、机油、凝胶或矿物油)当中，以减小或消除涡流和磁滞。

在某些实施例中，可以有为磁筒500和纵向轴552提供结构性支撑的外壳或外罩554。在某些实施例中，外罩554可以由具有所需结构强度的任何材料、合金或化合物形成。在某些实施例中，可以使用非铁质材料。在有些实施例中，外部轴承(未示出)可以用来减小纵向轴552和外罩554或类似支撑结构之间的摩擦。在某些实施例中，外罩554可以耦合到基座(未示出)，以便为外罩554提供结构性支撑。

在这个例子中，磁筒500a至500c包括3x集中和无电刷组件，其中磁体组件(例如，磁环或磁筒515、第一侧磁环520以及第二侧磁体530)充当转子，而环形线圈组件510固定。这种配置的优点在 于当期望电动机/发电机输出的连续控制时，使用其导体引线可以被带到单个位置(未示出)的线圈段，允许通过简单切换串联-并联组合并结合改变电压输入进行步进的速度控制。

图12是结合了增强磁通磁筒600的电动机/发电机组件650的一种实施例的纵向横截面图。电动机/发电机组件650可以使用与以上所讨论的部件类似的部件，诸如线圈组件610。在有些方面，电动机/发电机组件650和磁筒组件600的这些部件中许多是利用如上所述的增强磁筒概念组装的。

在某些实施例中，导体缠绕的线圈组件610包括与以上讨论的铁芯312类似的铁芯612。导电材料614(诸如铜线)围绕铁芯612缠绕，以形成一个或多个线圈段610a。线圈组件610通常是环形形状并且可以耦合到连接轮毂或滑环组件617，而连接轮毂或滑环组件617又可以耦合到轴652。

如所示出的，增强磁通的环形磁筒组件600包括三个U形磁筒680、682和684，其中每个U形筒的开口端面面向铁芯612或者线圈组件610。每个U形磁筒都包括一系列或多个磁体618，其中每个磁体的北极朝着“U”空间面向内。因而，当组装时，多个磁体618的北极面向铁芯612，以集中磁体的磁场。

线圈组件600使用9x磁通集中器设计(三个3x集中器)。因而，组装好的电动机/发电机650具有9x的磁集中度并且使用典型的DC电刷619(虽然示出了四个，但是，依赖于工程设计因素，任何数量都可以使用)来施加或收集电流。在该具体的实施例中，环形线圈组件610充当连接到滑环组件642的转子。9x磁筒或磁环组件充当定子。作用在导体上更大磁通密度增加了在电动机或发电机模式中的洛仑兹输出。

在所示出的实施例中，电动机/发电机组件650具有与以上讨论的轴352类似的纵向轴652。

在某些实施例中，可以有为磁筒600和纵向轴652提供结构性支撑的外壳或外罩654。

图13a和13b示出了混合电磁体组件700，它可以结合在以上磁筒的某些方面中，以集中磁场。此外，铁芯或类似的材料也可以与磁筒一起使用，以便如上所述地集中磁场。

在某些实施例中，磁体组件700包括位于铁芯714任何一端的至少两个或更多个商业可用的永磁体710和712。在所示出的实施例中，筒的形状已经被选定，但是任何形状都可以在任何合适的配置中构造。

图13a示出了混合磁体组件700的概念性磁通线716。本领域技术人员可以看到，尽管对准的磁域中将有一些有助于离开永磁体磁极面的磁通线716，但是，大部分将“泄漏”出铁芯侧壁718。

图13b示出了混合磁体组件700，具有携带电流的螺旋形缠绕的导电材料720。如所示出的，导体720限制并集中所有磁通线716，以对准还没有被永磁体对准的任何磁域。这种添加允许更强磁通输出在比常规铁芯线圈更低的安匝(ampere turn)水平产生。

因而，这种“混合”磁体组件还可以用来帮助以上所讨论的磁筒中磁通力线的集中。

概括地说，各种所公开实施例的某些方面可以提供以下益处：

不像常规的电刷整流或PWM控制器电动机/发电机，本发明各方面中的线圈与永磁体磁场持续接触并且因此产生不变的持续转矩或输出。

可以不需要复杂的PWM驱动器和控制器、换向器等等(以及关联的损耗)，因为本发明的某些方面产生并直接利用DC电流。

如果需要用于给定负载的自动速度控制，则复杂的位置指示是不需要的。更简单的RPM指示和变化的电压/电流关系就是全部所需的。

使用磁筒/利用永磁体的单极磁体组件概念，生成在别的情况下不可能实现的极强磁场，而不消耗任何电力。

尽管反电动势场是由任何感应电流流动产生的，但是，由于磁筒和铁芯设计，因此对阻碍这种运动的线圈运动没有直接影响。

铁磁滞损耗基本上被消除了，因为总共只有铁芯上两个点经历任何磁滞损耗并且然后每次旋转只有两次。

涡流损耗基本上被消除了，因为铁芯不垂直于磁通线移动。

齿槽也基本上消除了，因为铁芯力被平衡并且在所有方向都相等。

几乎没有浪涌电流，因为不需要饱和利用洛仑兹力所使用的线圈中100％铜绕组的大质量的铁，从而不像常规电动机/发电机中那样有浪费的铜绕组。

来自上升和折叠正弦波形的感应反冲被消除了。

就像其它DC电动机，转矩的反转仅仅是输入极性的反转。

给出以上对本发明实施例的描述是为了说明和描述。它不是详尽的或者要把本发明限定到所公开的精确形式。鉴于以上示教，许多组合、修改和变化都是可能的。具有互换部件的未描述的实施例仍然在本发明的范围之内。预期本发明的范围不是由这个具体描述而是由所附权利要求来限定的。

Claims (26)

1.一种用于生成DC电压的***，特征在于：

用于在磁筒的圆周部分周围集中相似极化的磁通力的装置，以便产生包括堆叠的相似极化的多个磁通力的磁集中区域，其中用于集中的装置特征还在于：

第一纵向磁壁定位在磁筒内，使得第一纵向磁壁的纵轴与纵向轴的纵轴平行以及第一纵向磁壁的磁极面向磁集中区域，

第二纵向磁壁定位在磁筒内，使得第二纵向磁壁的纵轴与纵向轴的纵轴平行以及第二纵向磁壁的磁极面向磁集中区域，

第一横向磁壁定位在磁筒内，使得第一横向磁壁的极面向磁集中区域，

第二横向磁壁定位在磁筒内，使得第二横向磁壁的极面向磁集中区域，

使得第一纵向磁壁、第二纵向磁壁、第一横向磁壁及第二横向磁壁的相似极化的磁壁极(所有的北极或所有的南极)都面向磁集中区域，

用于把线圈段耦合到纵向轴的装置，使得，当该纵向轴旋转时，线圈段移动到磁集中区域中，

用于在磁集中区域中的所述多个磁通力被压缩时在线圈段中产生电压的装置，及

用于从线圈段除去电压的装置。

2.如权利要求1所述的***，特征还在于：

用于在磁筒的附加圆周部分周围集中相似极化的磁通力的装置，以便产生包括附加堆叠的相似极化的多个磁通力的附加磁集中区域，其中该附加磁集中区域位于径向远离所述磁集中区域，其中所述磁集中区域位于相对于所述纵向轴的一侧，而该附加磁集中区域位于相对于所述纵向轴的与所述磁集中区域相对的另一侧；

用于把附加线圈段耦合到纵向轴的装置，使得，当该纵向轴旋转时，附加线圈段移动到附加磁集中区域中；

用于在所述磁集中区域中的所述多个磁通力被压缩时在附加线圈段中产生附加电压的装置，及

用于从线圈段除去电压的装置。

3.如以上权利要求中任何一项所述的***，其中该***的特征还在于：

用于在位于纵向远离所述磁筒的附加磁筒的圆周部分周围集中相似极化的磁通力的装置，以便在附加磁筒中产生包括附加堆叠的相似极化的多个磁通力的附加磁集中区域，

用于把位于附加筒中的附加线圈段耦合到纵向轴的装置，使得，当该纵向轴旋转时，附加线圈段移动到附加磁集中区域中，

用于在附加磁集中区域中的多个磁通力被压缩时在附加线圈段中产生附加电压的装置，及

用于从附加线圈段除去附加电压的装置。

4.如权利要求3所述的***，其中该***的特征还在于：

用于在附加磁筒的附加圆周部分周围集中相似极化的磁通力的装置，以便产生包括第二附加堆叠的相似极化的多个磁通力的第二附加磁集中区域，其中第二附加磁集中区域径向远离所述附加磁集中区域，其中在附加磁筒中产生的所述附加磁集中区域位于相对于所述纵向轴的一侧，而该第二附加磁集中区域位于相对于所述纵向轴的与在附加磁筒中产生的所述附加磁集中区域相对的另一侧；

用于把位于附加筒中的第二附加线圈段耦合到纵向轴的装置，使得，当该纵向轴旋转时，第二附加线圈段移动到第二附加磁集中区域中，

用于在第二附加磁集中区域中的多个磁通力被压缩时在第二附加线圈段中产生第二附加电压的装置，

用于从第二附加线圈段除去第二附加电压的装置。

5.一种用于产生轴的径向运动的***，该***特征在于：

用于在磁筒的圆周部分周围集中相似极化的磁通力的装置，以便产生包括堆叠的相似极化的多个磁通力的磁集中区域，其中用于集中的装置特征还在于：

第一纵向磁壁定位在磁筒内，使得第一纵向磁壁的纵轴与纵向轴的纵轴平行以及第一纵向磁壁的磁极面向磁集中区域，

第二纵向磁壁定位在磁筒内，使得第二纵向磁壁的纵轴与纵向轴的纵轴平行以及第二纵向磁壁的磁极面向磁集中区域，

第一横向磁壁定位在磁筒内，使得第一横向磁壁的极面向磁集中区域，

第二横向磁壁定位在磁筒内，使得第二横向磁壁的极面向磁集中区域，

使得第一纵向磁壁、第二纵向磁壁、第一横向磁体及第二横向磁体的相似极化的磁壁极(所有的北极或所有的南极)都面向磁集中区域，

用于把线圈段径向移动到该磁集中区域中的装置，

用于对线圈段施加电流以改变磁集中区域中多个磁通力的装置，

用于在线圈段上产生排斥磁力以便把线圈段移出磁集中区域的装置，及

用于把线圈段耦合到纵向轴的装置，使得，当线圈段移出磁集中区域时，轴以径向方式旋转。

6.如权利要求5所述的***，特征还在于：

用于在磁筒的附加圆周部分周围集中相似极化的磁通力的装置，以便产生包括附加堆叠的相似极化的多个磁通力的附加磁集中区域，其中该附加磁集中区域位于径向远离所述磁集中区域，其中所述磁集中区域位于相对于所述纵向轴的一侧，而该附加磁集中区域位于相对于所述纵向轴的与所述磁集中区域相对的另一侧；

用于把附加线圈段径向移动到该附加磁集中区域中的装置，

用于对该附加线圈段施加附加电流以改变附加磁集中区域中多个磁通力的装置，

用于在附加线圈段上产生附加排斥磁力以便把附加线圈段移出附加磁集中区域的装置，及

用于把附加线圈段耦合到纵向轴的装置，使得，当附加线圈段移出附加磁集中区域时，附加线圈段有助于径向轴旋转。

7.如权利要求5或6所述的***，其中该***的特征还在于：

用于在位于纵向远离所述磁筒的附加磁筒的圆周部分周围集中相似极化的磁通力的装置，以便产生包括附加堆叠的相似极化的多个磁通力的附加磁集中区域，

用于把附加线圈段径向移动到该附加磁集中区域中的装置，

用于对该附加线圈段施加附加电流以改变附加磁集中区域中附加的多个磁通力的装置，

用于在附加线圈段上产生附加排斥磁力以便把附加线圈段移出附加磁集中区域的装置，及

用于把附加线圈段耦合到纵向轴的装置，使得，当附加线圈段移出附加磁集中区域时，附加线圈段有助于径向轴旋转。

8.如权利要求7所述的***，特征还在于：

用于在附加磁筒的附加圆周部分周围集中相似极化的磁通力的装置，以便产生包括第二附加堆叠的相似极化的多个磁通力的第二附加磁集中区域，其中该第二附加磁集中区域位于径向远离所述附加磁集中区域，其中所述附加磁集中区域位于相对于所述纵向轴的一侧，而该第二附加磁集中区域位于相对于所述纵向轴的与所述附加磁集中区域相对的另一侧；

用于把第二附加线圈段径向移动到该第二附加磁集中区域中的装置，

用于对第二附加线圈段施加第二附加电流以改变第二附加磁集中区域中多个磁通力的装置，

用于在第二附加线圈段上产生第二附加排斥磁力以便把第二附加线圈段移出第二附加磁集中区域的装置，及

用于把第二附加线圈段耦合到纵向轴的装置，使得，当第二附加线圈段移出第二附加磁集中区域时，第二附加线圈段有助于径向轴旋转。

9.如权利要求5或6所述的***，其中用于集中的装置进一步特征在于：

用于在磁筒中定位第一纵向磁壁及第二纵向磁壁的装置，使得第一纵向磁壁及第二纵向磁壁的纵向长度大于第一横向磁体或第二横向磁体的横向长度。

10.如权利要求5或6所述的***，其中用于集中的装置进一步特征在于：

第一纵向磁壁定位于磁筒中，使得第一纵向磁壁的磁极定向成横向于轴的纵轴，

第二纵向磁壁定位于磁筒中，使得第二纵向磁壁的磁极定向成横向于轴的纵轴。

11.如权利要求5或6所述的***，其中用于集中的装置进一步特征在于第一横向磁壁定位于磁筒中，使得第一横向磁壁的磁极定向成平行于轴的纵轴。

12.如权利要求5或6所述的***，其中用于集中的装置进一步特征在于在磁筒中定位第二横向磁壁，使得第二横向磁壁的磁极定向成平行于轴的纵轴。

13.如权利要求5或6所述的***，其中用于集中的装置进一步特征在于第一纵向磁壁、第二纵向磁壁、第一横向磁体及第二横向磁体是位于磁筒中的电磁体，以产生磁集中区域。

14.一种产生DC电压的方法，该方法的特征在于：

在磁筒的圆周部分周围集中相似极化的磁通力，以产生包括堆叠的相似极化的多个磁通力的磁集中区域，其中所述集中还包括：

将第一纵向磁壁定位在磁筒内，使得第一纵向磁壁的纵轴与纵向轴的纵轴平行以及第一纵向磁壁的磁极定向成面向磁集中区域，

将第二纵向磁壁定位在磁筒内，使得第二纵向磁壁的纵轴与纵向轴的纵轴平行以及第二纵向磁壁的磁极定向成面向磁集中区域，

将第一横向磁壁定位在磁筒内，使得第一横向磁壁的极定向成面向磁集中区域，

将第二横向磁壁定位在磁筒内，使得第二横向磁壁的极定向成面向磁集中区域，

使得第一纵向磁壁、第二纵向磁壁、第一横向磁体及第二横向磁体的相似极化磁壁极(所有的北极或所有的南极)都面向磁集中区域，

把线圈段耦合到纵向轴，使得，当该纵向轴旋转时，线圈段移动到磁集中区域中，

当磁集中区域中的多个磁通力被压缩时，在线圈段中产生电压，

从线圈段除去电压。

15.如权利要求14所述的方法，特征还在于：

在磁筒的附加圆周部分周围集中相似极化的磁通力，以产生包括附加堆叠的相似极化的多个磁通力的附加磁集中区域，其中附加磁集中区域位于径向远离所述磁集中区域，其中所述磁集中区域位于相对于所述纵向轴的一侧，而该附加磁集中区域位于相对于所述纵向轴的与所述磁集中区域相对的另一侧；把附加线圈段耦合到纵向轴，使得，当该纵向轴旋转时，附加线圈段移动到附加磁集中区域中，

当磁集中区域中的多个磁通力被压缩时，在附加线圈段中产生附加电压，

从线圈段除去电压。

16.如权利要求14或15所述的方法，其中该方法的特征还在于：

在位于纵向远离所述磁筒的附加磁筒的圆周部分周围集中相似极化的磁通力，以便在附加磁筒中产生包括附加堆叠的相似极化的多个磁通力的附加磁集中区域，

把位于附加筒中的附加线圈段耦合到纵向轴，使得，当该纵向轴旋转时，附加线圈段移动到附加磁集中区域中，

当附加磁集中区域中的多个磁通力被压缩时，在附加线圈段中产生附加电压，

从附加线圈段除去附加电压。

17.如权利要求16所述的方法，特征还在于：

在附加磁筒的附加圆周部分周围集中相似极化的磁通力，以便产生包括第二附加堆叠的相似极化的多个磁通力的第二附加磁集中区域，其中第二附加磁集中区域位于径向远离所述附加磁集中区域，其中在附加磁筒中产生的所述附加磁集中区域位于相对于所述纵向轴的一侧，而该第二附加磁集中区域位于相对于所述纵向轴的与在附加磁筒中产生的所述附加磁集中区域相对的另一侧；

把位于附加筒中的第二附加线圈段耦合到纵向轴，使得，当该纵向轴旋转时，第二附加线圈段移动到第二附加磁集中区域中；

当第二附加磁集中区域中的多个磁通力被压缩时，在第二附加线圈段中产生第二附加电压，

从第二附加线圈段除去第二附加电压。

18.一种产生轴的径向运动的方法，该方法的特征在于：

在磁筒的圆周部分周围集中相似极化的磁通力，以便产生包括堆叠的相似极化的多个磁通力的磁集中区域，

其中集中还包括：

将第一纵向磁壁定位在磁筒内，使得第一纵向磁壁的纵轴与纵向轴的纵轴平行以及第一纵向磁壁的磁极面向磁集中区域，

将第二纵向磁壁定位在磁筒内，使得第二纵向磁壁的纵轴与纵向轴的纵轴平行以及第二纵向磁壁的磁极面向磁集中区域，

将第一横向磁壁定位在磁筒内，使得第一横向磁壁的极面向磁集中区域，

将第二横向磁壁定位在磁筒内，使得第二横向磁壁的极面向磁集中区域，

使得第一纵向磁壁、第二纵向磁壁、第一横向磁体及第二横向磁体的相似极化的磁壁极(所有的北极或所有的南极)都面向磁集中区域，

把线圈段径向移动到该磁集中区域中，

对线圈段施加电流，以改变磁集中区域中的多个磁通力，

在线圈段上产生排斥磁力，以便把线圈段移出磁集中区域，及

把线圈段耦合到纵向轴，使得，当线圈段移出磁集中区域时，轴以径向方式旋转。

19.如权利要求18所述的方法，特征还在于：

在磁筒的附加圆周部分周围集中相似极化的磁通力，以产生包括附加堆叠的相似极化的多个磁通力的附加磁集中区域，其中该附加磁集中区域位于径向远离所述磁集中区域，其中所述磁集中区域位于相对于所述纵向轴的一侧，而该附加磁集中区域位于相对于所述纵向轴的与所述磁集中区域相对的另一侧；

把附加线圈段径向移动到该附加磁集中区域中，

对该附加线圈段施加附加电流，以改变附加磁集中区域中的多个磁通力，

在附加线圈段上产生附加排斥磁力，以便把附加线圈段移出附加磁集中区域，及

把附加线圈段耦合到纵向轴，使得，当附加线圈段移出附加磁集中区域时，附加线圈段有助于径向轴旋转。

20.如权利要求18或19所述的方法，其中该方法的特征还在于：

在位于纵向远离所述磁筒的附加磁筒的圆周部分周围集中相似极化的磁通力，以产生包括附加堆叠的相似极化的多个磁通力的附加磁集中区域，

把附加线圈段径向移动到该附加磁集中区域中，

对该附加线圈段施加附加电流，以改变附加磁集中区域中的附加的多个磁通力，

在附加线圈段上产生附加排斥磁力，以便把附加线圈段移出附加磁集中区域，及

把附加线圈段耦合到纵向轴，使得，当附加线圈段移出附加磁集中区域时，附加线圈段有助于径向轴旋转。

21.如权利要求20所述的方法，特征还在于：

在附加磁筒的附加圆周部分周围集中相似极化的磁通力，以产生包括第二附加堆叠的相似极化的多个磁通力的第二附加磁集中区域，其中该第二附加磁集中区域位于径向远离所述附加磁集中区域，其中所述附加磁集中区域位于相对于所述纵向轴的一侧，而该第二附加磁集中区域位于相对于所述纵向轴的与所述附加磁集中区域相对的另一侧；

把第二附加线圈段径向移动到该第二附加磁集中区域中，

对第二附加线圈段施加第二附加电流，以改变第二附加磁集中区域中的多个磁通力，

在第二附加线圈段上产生第二附加排斥磁力，以便把第二附加线圈段移出第二附加磁集中区域，及

把第二附加线圈段耦合到纵向轴，使得，当第二附加线圈段移出第二附加磁集中区域时，第二附加线圈段有助于径向轴旋转。

22.如权利要求18或19所述的方法，其中所述集中进一步特征在于：

将第一纵向磁壁和第二纵向磁壁定位在磁筒内，使得第一纵向磁壁及第二纵向磁壁的纵向长度大于第一横向磁体或第二横向磁体的横向长度。

23.如权利要求18或19所述的方法，其中所述集中进一步特征在于：

在磁筒中定位第一纵向磁壁使得第一纵向磁壁的磁极被定向成面向轴的纵轴，

在磁筒中定位第二纵向磁壁，使得第二纵向磁壁的磁极被定向成面向轴的纵轴。

24.如权利要求18或19所述的方法，其中所述集中进一步特征在于在磁筒中定位第一横向磁壁，使得第一横向磁壁的磁极被定向成与轴的纵轴平行的方向。

25.如权利要求18或19所述的方法，其中所述集中进一步特征在于在磁筒中定位第二横向磁壁，使得第二横向磁壁的磁极被定向成与轴的纵轴平行的方向。

26.如权利要求18或19所述的方法，其中所述集中进一步特征在于第一纵向磁壁、第二纵向磁壁、第一横向磁体及第二横向磁体是位于磁筒中的电磁体，以产生磁集中区域。