CN109314482A - 可变转矩马达/发电机/传动装置 - Google Patents

可变转矩马达/发电机/传动装置 Download PDF

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Abstract

一种马达/发电机/传动***包括：轴；定子环，该定子环具有绕着该定子环的周边设置的多个定子线圈，其中，该多个定子线圈的每个相包括相应一组多条平行非绞合导线，该多条平行非绞合导线在中间抽头处用电子开关分开，该电子开关用于将该定子线圈的每个相的平行非绞合导线全部串联连接、全部并联连接或者以串联和并联的组合连接；联接到该轴的转子支撑结构；第一转子环和第二转子环，该第一转子环和该第二转子环各自具有与该轴的转动轴线重合的转动轴线，该第一转子环或该第二转子环中的至少一个被可滑动地联接到该转子支撑结构，并且被配置成沿着该转子支撑结构在第一轴向方向上或在第二轴向方向上平移。

Description

可变转矩马达/发电机/传动装置
相关申请的交叉引用
本申请是于2016年10月24日提出的、名称为“可变转矩马达/发电机/传动装置”的美国非临时专利申请第15/332,824号的部分延续(CIP)申请，所述专利文献是于2015年7月31日提出的美国非临时专利申请第14/815,733号(美国专利第9,479,037号)的分案，所述美国非临时专利申请第14/815,733号根据35U.S.C.§119(e)要求于2014年8月1日提出的美国临时申请第62/032,468号；于2015年4月13日提出的美国临时申请第62/146,694号；以及于2015年4月13日提出的美国临时申请第62/146,725号的权益。本申请还根据35U.S.C.§119(e)要求于2016年4月13日提出的美国临时申请第62/322,052号、于2016年6月22日提出的美国临时申请第62/353,413号以及于2016年9月26日提出的美国临时申请第62/399,907号的权益。前述美国临时申请及非临时申请通过引用全部并入本文。
背景技术
迄今为止，超过99.9％的全球产生电力来自于具有转动运动的某种形式的发电机。太阳能面板占约0.05％。马达使用了65％到70％的全球工业用电以及约57％的全部消耗功率。这涉及全球电功率的估计16,000以上太瓦-时(TWh)的年消耗量。由于这种消耗趋势以及效率改进，常规现代发电机和马达能够以接近其额定每分钟转数(RPM)及转矩规格的90％到98％的效率范围运行。出于此原因，可以认为现代发电机和马达工业非常成熟并且不能作出很大的增量改进。然而，虽然发电机和马达中的高效率额定值的窄带很高，但当这些相同的发电机和马达在规定的RPM和/或转矩额定值范围之外运行时，效率有时大幅降低30％到60％。
虽然最常规的发电***使用连续的RPM和转矩功率源，但是现在新兴的可再生能源由于功率源可变、不定时并且大部分时间不可以预测而具有更大的RPM和转矩变化。由于在常规发电和配电领域已达极限，因此对可再生能源中对上述转矩敏感并且仍然高效的发电机的需求可能具有非常高的优先级。同样，在马达行业中存在对具有工业用途的高效率与更宽运行范围的更大需求，并且尤其在运输行业中由于对混合动力及“插电式”电动载具的需求指数地增加。由于现实世界的运行状态需要启动、停止以及可变负载，因此马达的效率很少保持恒定。
现代载具交流发电机将内燃机的某些转动动力转换成电功率，以便运行电子设备并且维持蓄电池充电。这些交流发电机效率大体上为50％到60％。在2007年，存在约八亿零六百万辆载具，而现今估计在运行的载具超过十亿辆。几乎16％的人造CO2来自这些载具。这些交流发电机中的甚至很小量的效率改进也可以引起在减少排放方面作出大幅改进，并且使燃料燃烧显著减少。这种交流发电机效率损失主要由于在转子线圈***(电磁体)中的气隙和低效。由于不能有效地针对可变负载调节输出，转子中的永磁体大体上并不在载具交流发电机中使用。
永磁体交流发电机(PMA)现今用于小型风力机中。它们通常具有高启动速度，这是由于转子的齿槽效应和定子的天然磁性吸引而往往需要大致最小的风速来克服该限制。它们还缺乏在较低速度范围中产生有效功率所需的RPM范围，并且在非常高的风速下具有电流限制。它们不具有调节其输出的能力，这是由于该构型在给定RPM下允许最大发电。定子选择限制了最大电流或电压；其具有非常有限的效率范围。
对于中大型风力***，使用大型交流发电机并且转换为直流电。随后，功率逆变器将直流电功率信号逆变为交流电并且将该电流分配到电网。这种转换伴随有效率损失以及发热。这也限制了涡轮机的启动速度以及最大输出功率。在大型风力涡轮机中，可以使用通常具有由电网供电以便与电网频率相配的转子的同步三相发电机。使用功率逆变器***调节输出功率，它们损失效率并且限制涡轮机RPM范围。诸如潮汐和波浪发电机的其它可再生能源***发电机具有关于效率损失的相同问题，这是由于对于这些***的RPM和转矩范围的广泛变化的受限RPM和转矩范围。
永磁体马达在混合动力及“插电式”电动载具中的使用也具有非常有限的效率范围。与其PMA对应物相似，这些马达在RPM、转矩和电流使用方面也受到其构造的限制。由于永磁体连续地经过定子的铁芯，它们还在处于惯性滑行模式时具有关于反电动势和极限滞后(extreme drag)的问题。
附图说明
参见附图描述具体实施方式。在说明书的不同情况以及附图中使用相同的附图标记可以指示类似或完全相同的项目。
图1是示出了根据本公开的示例性实施例的马达/发电机/传动装置(MGT)单元的透视图，该单元可以连接到一个或多个额外的MGT单元。
图2是根据本公开的示例性实施例的MGT单元的分解透视图，所述MGT单元诸如为图1所述的MGT单元。
图3是根据本公开的示例性实施例的MGT单元的部分分解透视图，所述MGT单元诸如为图1所述的MGT单元。
图4是根据本公开的示例性实施例的MGT单元的部分分解透视图，所述MGT单元诸如为图1所述的MGT单元。
图5是根据本公开的示例性实施例的MGT单元的横截面侧视图，所述MGT单元诸如为图1所述的MGT单元，其中转子包括被示出为处于空挡位置的一组磁体。
图6是图5所示的MGT单元的横截面侧视图，其中该组磁体从空挡位置移动以使第一定子与转子接合。
图7是根据本公开的示例性实施例的中心分开三相定子绕组组件的图解说明。
图8是根据本公开的示例性实施例的双导线分开定子绕组组件的图解说明。
图9是根据本公开的示例性实施例的四导线分开定子绕组组件的图解说明。
图10是根据本公开的示例性实施例的六导线分开定子绕组组件的图解说明。
图11是根据本公开的示例性实施例的处于并联挡位构型的定子绕组组的图解说明。
图11B是根据本公开的示例性实施例的处于并联挡位构型的定子绕组组的图解说明，其中多条平行非绞合导线中的一部分导线并联连接，并且一条或多条导线被与该多条平行非绞合导线中的被连接的一部分导线断开。
图11C是根据本公开的示例性实施例的处于并联挡位构型的定子绕组组的图解说明，其中多条平行非绞合导线中的一部分并联连接，并且一条或多条导线被与该多条平行非绞合导线中的被连接的一部分导线断开。
图12是根据本公开的示例性实施例的处于部分并联/部分串联挡位构型的定子绕组组的图解说明。
图13是根据本公开的示例性实施例的处于部分并联/部分串联挡位构型的定子绕组组的另一图解说明。
图14是根据本公开的示例性实施例的处于串联挡位构型的定子绕组组的图解说明。
图15是示出了根据本公开的示例性实施例的用于MGT单元/***的控制部件的框图。
图16是示出了根据本公开的示例性实施例的MGT单元的透视图。
图17是图16所示的根据本公开的示例性实施例的MGT单元的另一透视图。
图18是图16所示的根据本公开的示例性实施例的MGT单元的透视图，其中该MGT单元的壳体的一部分被移除。
图19是图16所示的根据本公开的示例性实施例的MGT单元的另一透视图，其中该MGT单元的壳体的一部分被移除。
图20是图16所示的根据本公开的示例性实施例的MGT单元的另一透视图，其中该MGT单元的壳体的一部分被移除。
图21是图16所示的根据本公开的示例性实施例的MGT单元的另一透视图，其中该MGT单元的壳体的一部分被移除。
图22是图16所示的根据本公开的示例性实施例的MGT单元的侧视图，其中该MGT单元的壳体的一部分被移除，两个转子被示出为彼此隔开，处于距MGT单元的定子一定距离的位置(位置1)。
图23是图16所示的根据本公开的示例性实施例的MGT单元的侧视图，其中该MGT单元的壳体的一部分被移除，两个转子被示出为彼此隔开并且每个转子的内边缘与定子的外边缘共面(位置2)。
图24是图16所示的根据本公开的示例性实施例的MGT单元的侧视图，其中该MGT单元的壳体的一部分被移除，两个转子设置在一起并且这两个转子的内边缘与定子的中心平面共面(位置3)。
图25是示出根据本公开的示例性实施例的MGT单元的透视图。
图26是图25所示的根据本公开的示例性实施例的MGT单元的另一透视图，其中该MGT单元的壳体的一部分被移除。
图27是图25所示的根据本公开的示例性实施例的MGT单元的另一透视图，其中该MGT单元的壳体的一部分被移除。
图28是根据本公开的示例性实施例的转子组件的透视图，所述转子组件由图25所示的MGT单元的定子环至少部分地环绕。
图29是图25所示的根据本公开的示例性实施例的MGT单元的转子组件的透视图。
图30是根据本公开的示例性实施例的转子组件的横截面侧视图，所述转子组件由图25所示的MGT单元的定子环至少部分地环绕。
图31是根据本公开的示例性实施例转子组件的另一透视图，所述转子组件由图25所示的MGT单元的定子环至少部分地环绕。
图32是图25所示的根据本公开的示例性实施例的MGT单元的转子致动器的透视图。
图33是图25所示的根据本公开的示例性实施例的MGT单元的转子致动器的另一透视图。
图34是图25所示的根据本公开的示例性实施例的MGT单元的转子致动器的第一组齿轮的侧视图。
图35是根据本公开的示例性实施例的行星齿轮的透视图。
图36是图25所示的根据本公开的示例性实施例的MGT单元的转子致动器的第二组齿轮的侧视图，所述第二组齿轮包括图35的行星齿轮。
图37A是根据本公开的示例性实施例的三相定子的定子绕组构型的示意图。
图37B是根据本公开的示例性实施例的双缠绕定子构型的示意图，所述双缠绕定子构型在公用定子组件中实施多个单独控制的分隔磁极三相定子。
图38是示出了根据本公开的示例性实施例的采用MGT单元的混合动力载具的框图，所述MGT单元诸如为图1到图37B所示的MGT单元中的任一个MGT单元。
具体实施方式
概述
永磁体马达和发电机的现有技术是转子的磁场不可以调节，而是固定的。因此，大多数马达和发电机被设计成具有非常窄范围的最佳效率的特定速度和转矩。马达或发电机中的高转矩要求需要更强大的永磁体，这形成很大的反电动势，而该反电动势又由高电压和电流来克服。当马达速度和转矩恒定时，马达或发电机可以被设计成在其设计速度和转矩下具有最佳效率。很多时候，该效率在90％以上。因此，在这些马达的制造中，对定子芯体、芯体绕组和永磁体进行选择，以便以可能最有效的方式一起作用，从而在最佳或阈值效率下产生选定的设计转矩、RMP及伏安比。一旦这些关键部件被选定并设置在马达或发电机中，在本领域的技术状况下，它们无法改变。只有发电机中驱动力的功率和速度以及到马达内的电力的电压和电流可以被改变。但当该相同的马达或发电机在速度和转矩广泛地变化的场合中(诸如在陆上载具和/或风力或水力发电机中)投入使用时，当速度和转矩要求小于设计的最大值时，固定磁体的反电动势仍必须被克服，并且当速度和转矩大于设计的最大值时，定子接线充足并且被适当地确定尺寸。当它们等并非如此时，对于例如高速交通载具、汽车或风力/水力发电机等，马达或发电机的总体效率在许多情况下明显地下降到低至20％。
本公开涉及一种能够以高效率宽电压和电流操作范围以及极限可变转矩和RPM状态运行的电力发电机和/或马达传动***。本公开利用可再生资源的可变性，诸如不一致风速、不适时的海浪运动或者混合动力载具中的制动能，并且更有效地增加了常规发电机无法做到的发电潜力。在马达方面上，本公开产生可变范围的转矩/RPM的可能性，从而更有效地满足混合动力载具的要求。随着功率需求增加或减小，***可以动态地改变马达/发电机的输出“大小”，例如，通过在全部串联连接、全部并联连接或其组合之间切换定子中的多条非绞合并联线圈导线而改变在定子中感生的磁场，通过对应地改变、调节或聚焦永磁体作用在定子上的磁场，以及通过模块化地接合转子/定子组和使转子/定子组脱离。并且，当转矩/RPM或电流/电压要求变化时，***可以致动转子/定子组内的(在连接到公用计算机处理器的多个MGT单元中的)一个定子或其它定子，并且通过具有两条、四条、六条或更多条并联三相非绞合线圈绕组的多个组从并联绕组改变到串联绕组或者从串联绕组改变到并联绕组，以满足转矩/RPM或电流/电压要求，从而改进(例如，最优化或几乎最优化)效率。
如本文先前所讨论的，永磁体电动马达和发电机的现有技术是：转子的磁场不可以调节，而是固定的。虽然永磁体的磁场是固定的，但正是在转子的永磁体和定子的芯体之间的交变磁通量流以及定子芯体的导线中的交变电流确定了永磁体马达或发电机将如何运行。在于转子磁体和定子芯体之间流动的磁通量较小的情况下，马达/发电机的转子装配有很小型或更低强度的永磁体。如果在转子磁体和定子芯体之间流动的磁通很大，则为相反情况。当在马达的转子中使用小型永磁体时，定子芯体线圈中的导线的尺寸被适当地设计成具有必要的匝数，以在定子齿(或芯体)中产生磁场，所述磁场将与转子磁体的磁场有效地相互作用，从而在它们之间产生最佳的(或几乎最佳)磁通流或相互作用以及最佳(或几乎最佳)的转矩或RMP。在发电机的情况下，导线将的尺寸被设计成具有必要的匝数，以有效地适应由转动转子上的永磁体在定子芯体中感生的交变所产生的电力并且在许多情况下甚至当永磁体为相同尺寸时将与马达的导线不同。当在转子中使用大型永磁体时，同样如此的是，马达和发电机二者中的定子芯体的导线的尺寸被适当地设计成具有必要的匝数。然而，大型永磁体马达中的导线和安培匝数不同于小型永磁体马达/发电机中的导线和安培匝数，并且这两种马达/发电机的输出大小动态地不同。
公开了一种马达/发电机/传动装置(MGT)***，其具有可以动态地改变的输出，与当前技术下先前可能的相比，所述输出在预限定范围上具有更有效的性能。可以用几种不同的技术改变或调节从转子磁体流动到定子芯体或者与定子芯体相互作用的永磁体的交变磁通，例如：(1)通过改变转子磁体和定子芯体的对准，其中，来自转子磁体的径向磁通以不同的程度与定子芯体部分地接合；(2)利用两个转子，在定子的中心平面的两侧上各有一个转子，其中，外接转子的南北交替磁极相对彼此处于同一径向位置，从定子的中心平面到转子的中心平面的距离可以改变，来自两个转子上磁体的极磁场彼此相对，其中两个转子之间的在径向方向上偏转、扭转或聚焦的组合极磁场形成与将从单独作用的两个转子及其相应磁体的场总和所获得的相比在径向方向上到定子芯体内的更大磁通场——通过使这些转子彼此移动得更靠近并且靠近定子的中心平面，或者通过移动这些转子进一步远离来调节该场；以及(3)技术(1)和(2)的组合一起作用在同一定子上。利用这些技术中的任一种来调节定子和转子之间的磁通量流具有能够在MGT***运行期间的任何时间改变MGT***的永磁体的大小的相同或类似效果。
改变接线和匝数以修改定子芯体的磁通以及在芯体线圈导线中流动的电力并像调节或改变从转子永磁体流动的磁通那样容易。然而，本公开提供了用于在定子芯体线圈中实现明显不同的电压/电流特性的许多方法和构型，其中，每个定子芯体可以被配置成通过调节来自作用在定子上的转子的极磁通量来在转子和定子之间实现最优化(或几乎最优化)的磁通流，从而改进效率。这可以通过以下项来完成：将多相定子接线在中间抽头分开并且对于每个相脚给在芯体绕组中的多条非绞合平行导线(并且在一些情况下，提供具有不同尺寸的导线)提供将所述多条导线全部串联、全部并联或以串联构型和并联构型的组合切换和连接的能力。在一些实施方式中，一条或多条导线可以被断开，以提供额外的构型(例如，从六导线***下降到四导线***等)。在一些实施方式中，相绕组还可以从星形或Y字形(Y)构型切换到Δ(例如，三角形)构型。在一些实施方式中，该***可以提供两种单独的多相接线构型且在同一定子上具有分开的控制器，而在一些实施方式中将每个相脚(在其中包括多条导线)中的线圈分开，使得在任何单独的多相构型中的任一定子相可以被切换(例如，使用电子开关)成串联连接、并联连接或以串联和并联的组合连接、呈星形(Y)或Δ构型连接。
在实施例中，MGT***还可以通过将多个模块化的MGT单元(例如，各自具有相应的定子(或多个定子)和转子(或多个转子))连结在一起来调节，以改变总体***输出。例如，MGT单元可以在来自中央处理器的公用控制下连结在一起，其中，它们可以一起运行以实现增加的功率，或者至少一个可以运行而另一个处于空挡。MGT单元还可以被配置成在不同的串联、并联或组合(即，串联和并联)接线和切换组合之间来回换挡，以在各种组合之间提供平滑过渡。MGT单元还可以在Δ或星形相构型之间来回换挡，使每个相中得多条导线进行串联/并联切换。
在本公开的实施例中，任何单个MGT单元可以具有本文描述的多种接线和切换组合的任一或全部，包括在Δ与Y字形构型之间切换串联或并联多个导线绕组或者呈多个具有并联连接的两条或更多条导线的组、每组彼此串联的形式的多个导线绕组，并且MGT单元/***为多极式的，相绕组的单独线圈可以串联或并联连接，或者呈多个具有并联连接的两个或更多个线圈的组、每组彼此串联的形式连接，在可电子地重构以满足广泛变化条件的单个马达/发电机中提供宽广范围的电压/电流和转矩速度比。在一个或多个MGT单元中与转子磁场在第一定子、第二定子或多个定子之间的机械换挡联接的该特征(例如，能够控制任何定子的非接合和/或两个定子中的一个或任何组合的部分接合)以及将该转子或多个转子的磁场聚焦在定子芯体上的能力提供了通过计算机***处理器选择和快速地改变定子的绕组构型的能力，从而在最佳(或接近最佳或另外选定)的能量效率下满足强加于MGT单元/***的广泛变化的速度和转矩要求。使转子的磁场与处于第一接线构型的第一定子接合、将第二定子切换到第二接线构型并随后使转子的磁场从第一定子过渡到第二定子的能力提供了在第一种设定的转矩/速度与第二种设定的转矩/速度之间的平滑功率转移，并且进一步使得计算机***能通过微调转子磁体和定子线圈之间的接合度来调节、增加或减少转子磁体和定子之间的磁场强度，从而在几乎任何期望速度和转矩下优化MGT单元/***的功率效率。当两个定子与转子的磁场接合并且这些定子通过切换第一定子并随后切换第二定子以及在切换之间的间隔而从一种接线构型切换到另一种接线构型时，相同的平滑功率过渡适用，磁场与一个或两个定子的接合被调节以适应这两种接线构型之间的平滑过渡，并改进MGT单元/***的功率效率。
本公开还提供了用于调节马达或发电机中永磁体转子的磁场的***和方法。其通过调节或聚焦作用在定子芯体上的磁场以在任何给定时间满足马达或发电机的转矩速度要求来实现。通过减小或增加作用在定子芯体上的磁场，MGT***进而减小或增加了反电动势并需要更低或更高的电压和电流(功率)来运行马达，或者改变转动发电机所需的转矩(例如，风速)，从而使得马达/发电机能采用MGT***来调节反电动势以满足变化的状态并且在与以往可能的范围相比更宽的范围上以更大的效率运行马达/发电机。在具有这些性能的情况下，MGT***可以在相对均匀的可变功率要求范围上高效地控制转子(或多个转子)和定子的磁场相互作用的强度。任何电动马达的效率取决于定子的电磁场和与该定子相互作用的转子的电磁场之间的平衡。MGT单元的现有技术逆变器/控制器可以调节来自蓄电池或其它电源的电压，这进而在导线和电压源的容量内调节定子线圈导线中的电流。MGT单元具有在不同的接线组合之间切换的能力，随着逆变器/控制器通过计算机处理器将每个接线构型中的电压从低增加到高，每个接线组合中不同的电阻在每个接线组合中形成不同安培匝数范围。随后通过电压调节来构型、组合和协调不同的接线构型，使得当计算机处理器将接线从一种构型切换到下一种构型而相应地改变定子线圈中的安培匝数值和所获得的磁场强度时，可以在极大的范围上均匀地调节(增加或减小)在定子线圈中流动的电流的总体范围。对于通过使该转子或多个转子相对于定子移动而在从低到高的更大范围上聚焦或控制与定子线圈相互作用的转子磁体的磁场的MGT单元能力，计算机程序可以被配置成使转子相对于定子的位置作为定子线圈中的安培匝数的函数，使得该转子被定位成提供最佳效率或者在定子线圈和转子永磁体的磁场之间实现平衡。
示例性实施方式—包括能够选择性移动的定子(或多个定子)的MGT
大体参见图1至图6，根据本公开的一些实施例描述了MGT单元及***。图1示出了MGT单元300，其在一些实施例中可以连接到一个或多个额外的MGT单元300以形成更大型的MGT***。如图2至图6所示，MGT单元300包括被可转动地联接到轴308的转子314。转子314以及该转子被固定到其上的轴308具有转动轴线306，其中轴308在沿着该转动轴线306的第一方向上纵向延伸。MGT单元300还可以包括定子笼壳(stator cage)302，其也在第一方向上纵向延伸并且包括一个或多个定子环(例如，第一定子环310、第二定子环312以及可能的第三定子环、第四定子环等)，其中所述定子环中的每个包括多个定子芯体，所述定子芯体的相应线圈/绕组绕着定子环的周边布置。在本公开的各实施例中，定子环在第一方向上彼此间隔开。转子304包括至少一个转子环314，永磁体绕着转子环314的周边布置。转子环314可以与轴308联接。
在本公开的实施例中，定子环310和定子环312能够在三个或更多个位置之间致动。定子环310和定子环312可以被容纳在定子笼壳302内或联接到能够由致动器移动的任何其它支撑结构。定子环310和定子环312可以各自具有不同的芯体和/或绕组构型，使得当定子环310和定子环312在第一定子位置、第二定子位置和第三定子位置之间平移时MGT单元300的运行特性可以被改变，其中在该第一定子位置处定子环312与转子环314接合，在该第二定子位置处定子环310与转子环314接合，在该第三位置处定子环310和定子环312都不与转子环314接合。应该注意的是，定子位置的顺序是通过示例提供的，并且不旨在限制本公开。在其它实施例中，空挡定子位置可以被定位在两个定子之间。空挡定子位置也可以处于MGT单元300的不同端。此外，MGT单元300可以包括多于一个空挡位置，等等。在本公开的实施例中，转子环314的磁体可以在转子环314的周边上等距地间隔布置，其中磁体的外周边表面距离定子环310/312芯体表面的内周边表面限定的最小距离(例如，间隙)，如果用作发电机则致使在转子环314转动时电力在定子绕组上流动，或者如果电流从外部源供应到定子绕组则致使转子环314转动。
定子环310和312可以完全相同、可以配置和/或被不同地构造。例如，定子环310和312可以采用不同的定子绕组或可以选择性配置的定子绕组(例如，如本文所描述的)，以提供不同的功率、转矩、电流和/或电压容量和效率。在一些实施例中，计算机***可以用于向定子环的致动器发送指令，以将定子环移进定子位置以及从定子位置移出，从而在广泛变化的输入和输出状态下实现增强的效率，所述广泛变化的输入和输出状态诸如为风力发电机、城市公交的马达等等。在各实施例中，致动器322(例如，步进马达、线性致动器等)可以与定子环310和定子环312直接或间接地联接。在一些实施例中，致动器322可以包括被配置成驱动容纳定子环310和定子环312的定子笼壳302的臂，从而致使定子环310和定子环312相对于转子环314移动到期望位置。
在本公开的实施例中，多个MGT单元300可以(例如，如参见图1描述首尾相连地)连接在一起。例如，轴308可以被配置为模块化轴，并且多个模块化轴可以连接在一起以形成例如一公用轴。在一些实施例中，每个MGT单元300可以包括一个或多个端板316，其可以包括轴承(例如，转动轴承)。在一些实施例中，两个或更多个MGT单元300的轴308可以连接在一起，以使得能顺排/轴向地(inline)添加额外的MGT单元300(例如，在公用控制***下以形成具有可变转矩和/或功率能力的更大型和功率更大的单元)。第一MGT单元300的轴308可以包括被配置成延伸到相邻定位的第二MGT单元300的端板316的接收腔内的凸出端318，借此凸出端318可以连接到第二MGT单元300的轴308的凹入端320。
示例性实施方式—包括能够选择性移动的转子(或多个转子)的MGT
大体参见图16至图24，根据本公开的附加实施例描述了各MGT单元400和***。图16至图24示出了采用可变力矩磁聚焦的MGT单元400/***的实施例。例如，MGT单元400可以被配置成对多个转子环444和至少一个定子环439之间的磁通量的相互作用进行聚焦和调节。为此，MGT单元400采用至少两个转子，在定子环439的中心平面的两侧上各一个转子，使得它们可以各自朝着定子的中心平面或者远离定子的中心平面平移。当转子环444从其距离定子中心平面的最远点朝着定子中心平面平移时，转子环444和定子环439之间的磁通量的相互作用增加，从而允许磁通量被聚焦(例如，被调节)，使得转子环444和定子环439之间的磁相互作用可以被控制以优化或改进***效率。
在一个示例性实施中，转子环444可以在至少以下位置之间平移：(1)第一位置，在该第一位置处转子环444的内侧边缘距离定子环439的外侧边缘近似一个转子长度(永磁体443在轴向方向上的长度)或更长(例如，如图22所示)；(2)第二位置，在该第二位置处转子环444的内侧边缘与定子环439的外侧边缘对齐(例如，如图23所示)；以及第三位置，在该第三位置处转子环444的内侧边缘与定子环439的中心平面对齐(例如，如图24所示)。在第一位置(1)，当转子由外力转动时，在转子环444与定子环439之间存在最低的磁通量的相互作用或者不存在磁通量的相互作用，并且在定子线中也不存在电流或者存在最低的电流。这可以被视为MGT单元400的空挡位置。随着转子环444从第一位置(1)平移到第二位置(2)，转子环444上的永磁体443的极磁场开始彼此相对并且在径向方向上朝着定子芯体偏转或聚焦，从而在转子磁体443和定子芯体之间产生相互作用或磁通量流动，该相互作用或磁通量流大于两个转子及其相应的磁体443单独从同一位置所产生的相互作用或磁通量流的总和，并且随着转子环444从第一位置(1)移动到第二位置(2)，从转子环444到定子环439的磁场的相互作用指数地增加但具有很低的值，但足以作为发电机来提供低功率或涓流功率，从而在以燃烧功率运行的混合动力载具中持续地对蓄电池进行再充电，而对内燃机没有拖拽或具有最少的拖拽或者不需要来自内燃机的额外功率或者需要最少的来自内燃机的额外功率。随着转子环444从第二位置(2)平移到第三位置(3)，从转子环444到定子环439的磁场相互作用或磁通量流线性地增加到在转子磁体443和定子芯体之间的最大相互作用或磁通量流，就像当用作发电机或马达时所产生的功率一样。
大体参见图16至图24，MGT单元400可以具有壳体，该壳体包括盖体430、前端板420、后端板420和端板盖422。如图19所示，前端板420和端板盖422提供用于马达控制箱424的罩壳，该马达控制箱424可以包括线性致动器步进马达432和462以及接线连接(未示出)。MGT单元400可以包括轴410，该轴410具有用于联接MGT单元400和其它MGT单元400的槽式凸形连接端和槽式凹形连接端以及螺栓连接。连接端可以是任何类型的，使得两个或更多个MGT单元400能物理地配合并且借此它们的轴410被联接并作为一个公用轴转动。端板420还可以接受符合工业标准的适配器板，以便联接包括汽车发动机和传动装置的其它所制造设备。两个或更多个MGT单元400的前端板和后端板420可以螺栓连接在一起，以确保任何数目的模块的物理连续性。
后端板420可以是任何类型的，以使得其它MGT单元400能与其配合，借此它们的轴410被联接并作为一个公用轴转动。后端板420为轴410的用于将其联接到其它MGT单元400的槽式凹形端以及螺栓连接提供壳体。后端板还可以接受符合工业标准的适配器板，以便联接包括汽车发动机和传动装置的其它所制造设备。两个或更多个MGT单元的前端板和后端板可以螺栓连接在一起，以确保任何数目的模块的物理连续性。
转子环444能够可滑动地联接到转子支撑结构446，该转子支撑结构446联接到轴410。转子支撑结构446可以包括间隔开并且垂直于穿过其中心点的轴410连附的两个端盘448，平行于轴410的多个(例如，三个或更多个)线性滑杆447，所述线性滑杆447在轴410的径向向外处并且绕着轴410等间隔布置，所述线性滑杆447在每端上连附于端盘448。转子支撑结构446与轴410一起转动。在一个实施方式中，前端盘448靠近端板420连附于轴410，并且后端盘448包括在轴向方向上从轴410向外穿过后盘并且与轴衬或线性轴承(未示出)一起绕着轴410等间隔布置的三个或更多个孔，以使得转子推杆在轴向方向上经过后端盘448和自由地移动通过后端盘448，但相对于轴410保持其径向位置。
转子推动器/拉出器471可以包括间隔开并且在后转子环444和后转子支撑端盘448之后的推动盘472。推动盘472借助于轴衬或线性轴承(未示出)可滑动地连附于穿过其中心点的轴410，以使得推动盘472能在轴向方向上的平移。转子推动器/拉出器471还可以包括多个(例如，三个或更多个)线性滑杆475，所述线性滑杆475从轴410向外间隔布置，绕着穿过转子支撑后端盘448中的轴衬或线性轴承并连附于后转子的轴410等间隔布置。
平移杆467可以包括扁平杆，该扁平杆具有在杆中心处的与杆的平坦面垂直的孔。平移杆467在远离中心孔(直径稍大于MGT轴410直径的孔)的两个方向上延伸，其中轴410可以穿过平移杆467中的与杆垂直的孔，并且该杆通过推力轴承连附于推动盘472的后表面并且在两端上连附于转子线性致动器螺杆465。线性致动器螺杆465平行于轴410安装在转子环444、转子支撑结构端板420和定子之外，并且所述线性致动器螺杆465穿过平移杆467的每端中的螺纹孔，使得当转子支撑结构446和转子推动器/拉出器471与轴410一起转动时——当线性致动器螺杆465顺时针或逆时针转动时，平移杆467不必但可以在轴向方向上移动或平移。因此，当平移杆467在轴向方向上移动时，转子推动器/拉出器471与后转子环444在同一方向上移动。
MGT单元400还可以包括转子线性致动器461，其接收来自计算机***的指令以启动和转动延伸穿过平移杆467中的螺纹孔的两个或更多个螺纹转子线性致动器螺杆465，致使平移杆467在螺纹杆465转动时在轴向方向上前后移动。螺纹转子线性致动器螺杆465平行于轴410并且在转子环444、定子环439、转子推动器/拉出器471和转子支撑结构446之外并且以延伸穿过前端板420的方式转动地连附于MGT端板420，其中，步进马达462作为直接驱动器来附接，使得每个螺纹转子线性致动器螺杆465具有一个步进马达，或者作为单个步进马达和链或带驱动器来附接到每个螺纹转子线性致动器螺杆465。平移杆467和致动器螺杆465之间的连接可以是常规凸形螺纹螺杆和平移杆467中的凹形螺纹孔或者常规的滚珠螺杆布置。
定子支撑结构440可以包括两个或更多个线性滑杆442，所述线性滑杆442绕着轴410周围等间隔布置，平行于轴410，在转子、定子、转子推动器/拉出器471和转子支撑结构446之外。定子支撑结构440在前端板420和后端板420之间延伸。线性轴承座438可以可滑动地连附于定子支撑结构440，以在端板420之间在两个方向上平移，其中线性轴承座438又连附于定子环439，以将定子环439保持在其中心轴线与MGT轴410的轴线同轴的位置，并且其定子芯体的周面与周向转子磁体面分开一小气隙。
MGT单元400还可以包括定子线性致动器431(例如，步进马达432)，其接收来自计算机***的指令以启动并且转动两个或更多个螺纹定子线性致动器螺杆435。螺纹定子线性致动器螺杆435平行于轴410并且在转子环444、定子环439、转子推动器/拉出器471和转子支撑结构446之外，并且以延伸穿过前端板420的方式转动地连附于MGT端板420，其中步进马达432作为直接驱动器来附接，使得每个螺纹转子线性致动器螺杆435具有一个步进马达，或者作为单个步进马达和链或带驱动器来附接到每个螺纹转子线性致动器螺杆435。线性螺杆或滚珠螺杆轴承座437连附于每个螺杆435，以便当螺杆由步进马达432转动时在轴向方向上前后平移，所述线性螺杆或滚珠螺杆轴承座437又连附于定子环439，致使定子环439基于来自计算机***的指令而被相对于转子环444定位在被限定点处。
在各实施例中，定子环439可以包括在轴向方向上堆叠在一起的层压铁板环，其中穿过板的插槽在定子环439的内表面上形成齿形件(芯体)，使得当堆叠在一起时，导线可以插设于在轴向方向上平行于MGT轴410沿着定子的长度延伸的插槽中(例如，以与电动马达定子的现有技术的正常行业实践一致的方式)。通过将导线缠绕在一个或多个齿形件(芯体)上以形成线圈441以及使连续系列的线圈441绕着定子环439的周边均匀地间隔(例如以与多相电动马达定子的接线的现有技术的正常行业实践一致的方式)来将导线设置在插槽中，除了每个线圈441相脚的导线包括彼此并联并且在切换***中的中间抽头处分开的两条或更多条非绞合导线之外，所述切换***可以全部串联地、全部并联地或串并联组合地布置所述多条导线，从而实现根据导线数目的许多不同接线构型。所述切换***还可以被配置成将相接线布置成星形/Y字形(“Y”)或Δ接线构型，其中到线圈441的功率的电压电流和频率被根据计算机***的指令控制。本文进一步讨论了各种定子绕组构型的示例性实施方式。定子绕组和切换***实施方式中的任一个都可以应用于本文描述的MGT单元400的任何实施例。
转子环444包括可以绕着一个或多个铁盘的周边均匀地间隔的永磁体443。转子环444连附于转子支撑结构446的线性滑杆447，并且转子环444中的至少一个能够滑动地连附于穿过固定转子环444的转子盘中的轴衬或线性轴承行进的线性滑杆447，使得转子环444的转动轴线与轴410的转动轴线共线。当转子环444被定位在定子环439下方时，转子环444的外表面与定子环439的内表面分开一小气隙。能够滑动地连附的转子环444可以基于计算机***给转子线性致动器461的指令而在轴向方向上移动，以相对于定子环439被定位在被限定的点处。
如本文先前所讨论的，图22至图24示出了转子环444相对于定子环439的示例性定位。例如，图22示出了由线性致动器定位在定子环439的两侧上的转子环444(在轴向方向上与定子环439的边缘间隔开大约一个转子长度)，其中转子磁体443和定子绕组之间的磁通量的相互作用非常低(例如，可以忽略或不存在)，并且MGT单元400有效地处于空挡位置。
图23示出了被定位在定子环439的两侧上的转子环444，其中定子环439的外边缘与转子环444的内边缘接近对齐。在这种定位中，转子磁体443和定子绕组之间的磁通量的相互作用很低，转动转子环444的力也很低。如果在发电机中采用MGT单元400，例如在混合动力载具中，这使得可以在载具以燃烧功率运行的同时产生蓄电池的再充电功率，并且可以不需要来自内燃机的额外功率或具有最少的来自内燃机的额外功率而实现，从而本质上在来自移动载具的浪费惯性动力上运行。随着转子环444从空挡位置移动到与定子的边缘对齐，当作为发电机以恒定的RPM运行时所产生的电压从零或接近零指数地增加到当转子环444的内边缘与定子环439的外边缘对齐时所实现的低值。
图24示出了一起设置在或大致在定子环439的覆盖范围内的转子环444，例如，其中转子环444的内边缘居中在定子环439的中心平面上。在这种定位中，在转子磁体443和定子绕组之间的磁通量的相互作用会处于其最大值，并且当作为发电机运行时所产生的电压也会处于其最大值。在转子环444的内边缘位于定子环439的外边缘处的位置和转子环444的内边缘位于定子环439的中心平面处的位置之间的任何点处，所产生的电压与内转子环边缘从外定子环边缘到定子环439中心平面的距离成比例，所述电压会是最大值。
应该注意的是，虽然本文描述了转子环444相对于定子环439的三个不同位置，但转子环444以及可选的定子环439可以被重新定位在MGT单元400的部件(例如，滑杆、平移杆、致动器等)所允许的任何数目的位置。在这个方面，MGT单元400能够以很高精确度磁力聚焦，以优化总体***效率，无论被用作马达还是发电机。
图25至图36示出了采用可变转矩磁聚焦的MGT单元500/***的另一实施例。图25至图36所示的实施例与图16至图24所示的实施例之间的差别在于：平移转子环544以及可能地平移定子环539以将部件重构到位置1、位置2和位置3(如上所述)及其间的任何位置的方法和方式。壳进一步预期的是，可以在不背离本公开范围的情况下，采用重新定位转子环544以及可能地重新定位定子环539的额外方法。
图25示出了具有壳体的MGT单元500的实施例，所述壳体包括盖体530以及端板520(例如，类似于图16至图24的MGT单元400的那些)。图26和图27示出了盖体530被移除的MGT单元500以及定子环539，定子环539相应的定子绕组(线圈541)缠绕在其定子芯体上。定子环539可以由包括多个(例如，三个或更多个)定子支撑杆542的定子支撑结构540支撑，所述多个定子支撑杆542可以绕着定子环539的周边均匀地间隔，在两个端板520之间延伸，连附于端板520和定子环539，以将定子保持在固定位置，所述固定位置可靠近MGT单元500的中心，其中心平面垂直于轴510的轴线，与转子支撑结构546的中心平面重合，其中心轴线与轴510的中心轴线共线。
图28至图31示出了滑动的转子支撑结构546的各个视图，其中转子支撑结构546连附于轴510，多个(例如，三个或更多个)线性滑杆547可以绕着转子支撑结构546的周边均匀地间隔，平行于轴510延伸穿过转子支撑结构546的内侧边缘，以距离轴510的中心轴线相等的距离刚性地连附于转子支撑结构546，其中滑杆端板环548连附于线性滑杆547的端部。这两个转子环544通过转子环544中的轴衬或线性轴承(未示出)可滑动地连附于线性滑杆547，以使得转子环544在转子支撑结构546的中心平面和滑杆端板520之间在轴向方向上朝着彼此或者远离彼此移动。永磁体543绕着每个转子环544的周边均匀间隔地安装，其中交替的南北极径向向外朝向。转子磁体543的外周面可以距离轴510的中心轴线一恒定距离，当定子的中心平面(垂直于转子轴510)和转子环544的内侧边缘共面时，在转子磁体543的周面和定子环539的内周面之间提供一小气隙。每个转子上的转子磁体543的南北极绕着每个转子环544的周边连附在同一径向位置，使得当转子环544一起平移时，第一转子环544上的北极磁体543与第二转子环544上的北极磁体543处于同一径向位置，直接地彼此相对。
图32至图36示出了转子线性致动器550的实施例。在该实施例中，每个转子环544具有一个转子线性致动器550。在其它实施例中，两个转子环544可以仅有一个转子线性致动器，或可以具有用于转子环544的至少一个线性致动器以及用于定子环539的至少一个线性致动器。转子线性致动器550可以包括步进马达552、驱动带553、驱动齿轮554、两组行星齿轮556、螺杆致动器551以及行星齿轮壳体555。螺杆致动器551是在其外部表面上跨越其大部分长度设有螺纹的中空管。螺杆致动器551绕着轴510装配，该轴510延伸穿过该螺杆致动器551，从转子支撑结构546向外延伸。螺杆致动器551通过每端上的轴衬或转动轴承(未示出)转动地连附于轴510。螺杆致动器551在面向转子支撑结构546的端部上与在转子环544的中心的孔中的匹配螺纹一起螺纹配合，使得当相对于轴510转动螺杆致动器551时，转子环544将在轴向方向上在任一方向上平移，该任一方向取决于螺杆致动器551顺时针或者逆时针转动。螺杆致动器551在远离转子支撑结构546的端部上连附于最靠近转子支撑结构546的内组行星齿轮558的中心齿轮。螺杆致动器551和第一中心齿轮大体与轴510一起转动，以转动行星齿轮，所述行星齿轮与在外组行星齿轮557上的行星齿轮具有公用轴510，所述外组行星齿轮557的中心齿轮连附于转子轴并且其环形齿轮连附于行星齿轮壳体，所述行星齿轮壳体又连附于端板520。当步进马达552由来自计算机***的指令启动时，驱动带553转动行星组556上的环形齿轮，致使螺杆致动器551相对于轴510的轴线转动，致使转子环544如由计算机***基于传感器信息和/或通过用户界面接收的指令所选择地在本文先前所述的位置1、位置2和位置3(以及任何其它位置)之间平移。
示例性实施方式—可变定子绕组构型
现在参见图7至图14，定子构型(例如，用于本文描述的任何定子环)可以包括中心分开式三相接线(例如，如图7所示)。三相定子的中间连接1a、1b和1c被配置成当联接在一起时将三个相(例如，相1、相2和相3)链接到一个点。相1的火线端被示出为A1，相2的火线端被示出为B1，以及相3的火线端被示出为C1。如图7所示，相可以被分开，使得中间连接1a、1b和1c被选择性地连接(例如，端1a、1b和1c可以被连接在一起或者连接到其它三相绕组)。
在一些实施例中，中心分开式三相接线包括双导线构型(例如，如图8所示)。这两个绕组中的每个的相1、相2和相3都具有分开的中间连接(例如，用于第一绕组的中间连接1a、1b和1c以及用于第二绕组的中间连接2a、2b和2c)。对第一绕组和第二绕组中的每个，相1的火线端分别被示出为A1和A2。对第一绕组和第二绕组中的每个，相2的火线端分别被示出为B1和B2。对第一绕组和第二绕组中的每个，相3的火线端分别被示出为C1和C2。在该双导线方案中，绕组A1和A2绕着铁芯平行，并且终止于中间连接1a和2a，类似地，绕组B1和B2绕着铁芯平行，并且终止于中间连接1b与2b，绕组C1与C2绕着铁芯平行，并且终止于中间连接1c与2c。
在双导线构型中，存在可用的并联(挡位#4)模式和串联(挡位#1)模式。在以并联模式(挡位#4)运行时，单独绕组区段可以包括：将A1连接到A2，将B1连接到B2，将C1连接到C2，并且中间连接1a、1b、1c、2a、2b和2c可以连接在一起。在以串联模式(挡位#1)运行时，单独绕组区段可以包括：将1a连接到A2，将1b连接到B2，将1c连接到C2，并且中间连接2a、2b和2c可以连接在一起。在该构型中，当以恒定功率用作发电机时，每个有效绕组区段承载并联模式(挡位#4)电压的一半以及并联模式构型中电流的1/4。
在另一实施例中，定子构型可以包括具有四导线构型的中心分开式三相接线(例如，如图9所示)。这四个绕组中的每个的相1、相2和相3可以具有分开的中间连接(例如，用于第一绕组的中间连接1a、1b和1c，用于第二绕组的中间连接2a、2b和2c，用于第三绕组的中间连接3a、3b和3c，以及用于第四绕组的中间连接4a、4b和4c)。对于第一绕组、第二绕组、第三绕组和第四绕组中的每个，相1的火线端分别被示出为A1、A2、A3和A4。对于第一绕组、第二绕组、第三绕组和第四绕组中的每个，相2的火线端分别被示出为B1、B2、B3和B4。对于第一绕组、第二绕组、第三绕组和第四绕组中的每个，相3的火线端分别被示出为C1、C2、C3和C4。在该四导线方案中，绕组Al、A2、A3和A4绕着铁芯平行并且终止于中间连接1a、2a、3a和4a，类似地，绕组B1、B2、B3和B4绕着铁芯平行并且终止于中间连接1b、2b、3b和4b，绕组C1、C2、C3和C4绕着铁芯平行并且终止于中间连接1c、2c、3c和4c。
在该四导线构型中，存在可用的并联(挡位#4)模式、并联/串联(挡位#2)模式以及串联(挡位#1)模式。在以并联模式(挡位#4)运行时，单独绕组区段可以包括：将Al、A2和A3连接到A4，将B1、B2和B3连接到B4，将C1、C2和C3连接到C4，并且中间连接1a、2a、3a、4a、1b、2b、3b、4b、1c、2c、3c和4c可以连接在一起。在以串联/并联模式(挡位#2)运行时，单独绕组区段可以包括：将A1连接到A2；连接1a、2a、A3和A4；将B1连接到B2；连接1b、2b、B3和B4；将C1连接到C2；连接1c、2c、C3和C4；连接3a、4a、3b、4b、3c和4c。在该构型(挡位#2)中，每个有效绕组区段承载并联模式(挡位#4)电压的一半以及并联模式(挡位#4)构型中电流的1/4。在以串联模式(挡位#1)运行时，单独绕组区段可以包括：将1a连接到A2，将2a连接到A3，将3a连接到A4，将1b连接到B2，将2b连接到B3，将3b连接到B4，将1c连接到C2，将2c连接到C3，将3c连接到C4，以及将4a、4b和4c连接在一起。在该构型(挡位#1)中，当以恒定功率用作发电机时，每个有效绕组区段承载并联模式(挡位#4)电压的1/4以及并联模式构型中电流的1/8。
在另一实施例中，定子构型包括具有六导线构型的中心分开式三相接线(例如，如图10所示)。对于这六个绕组中的每个，相1、相2和相3可以具有分开的中间连接(例如，用于第一绕组的中间连接1a、1b和1c，用于第二绕组的中间连接2a、2b和2c，用于第三绕组的中间连接3a、3b和3c，用于第四绕组的中间连接4a、4b和4c、用于第五绕组的中间连接5a、5b和5c，以及用于第六绕组的中间连接6a、6b和6c)。对于第一绕组、第二绕组、第三绕组、第四绕组、第五绕组和第六绕组中的每个，相1的火线端分别被示出为A1、A2、A3、A4、A5和A6。对于第一绕组、第二绕组、第三绕组、第四绕组、第五绕组和第六绕组中的每个，相2的火线端分别被示出为B1、B2、B3、B4、B5和B6。对于第一绕组、第二绕组、第三绕组、第四绕组、第五绕组和第六绕组中的每个，相3的火线端分别被示出为C1、C2、C3、C4、C5和C6。在该六导线方案中，绕组Al、A2、A3、A4、A5和A6绕着铁芯平行并且终止于中间连接1a、2a、3a、4a、5a和6a，类似地，绕组B1、B2、B3、B4、B5和B6绕着铁芯平行并且终止于中间连接1b、2b、3b、4b、5b和6b，绕组C1、C2、C3、C4、C5和C6绕着铁芯平行并且终止于中间连接1c、2c、3c、4c、5c和6c。
在六导线构型中，存在可用的并联(挡位#4)模式、第一并联/串联(挡位#3)模式、第二并联/串联(挡位#2)模式，以及串联(挡位#1)模式。在以并联模式(挡位#4，图11所示)运行时，单独绕组区段可以包括：将Al、A2、A3、A4、A5和A6连接在一起，将B1、B2、B3、B4、B5和B6连接在一起，将C1、C2、C3、C4、C5和C6连接在一起，中间连接1a、1b、1c、2a、2b、2c、3a、3b、3c、4a、4b、4c、5a、5b、5c、6a、6b和6c可以连接在一起。
在以串联/并联模式(挡位#3，图12所示)运行时，单独绕组区段可以包括：将A1、A2和A3连接在一起，将1a、2a、3a、A4、A5和A6连接在一起，将B1、B2和B3连接在一起，将1b、2b、3b、B4、B5和B6连接在一起，将C1、C2和C3连接在一起，将1c、2c、3c、C4、C5和C6连接在一起，将4a、5a、6a、4b、5b、6b、4c、5c和6c连接在一起。在该构型(挡位#3)中，当以恒定功率用作发电机时，每个有效绕组区段承载并联模式(挡位#4)电压的一半以及并联模式(挡位#4)构型中电流的1/4。
在以另一串联/并联模式(挡位#2，图13所示)运行时，单独绕组区段可以包括：将A1连接到A2；将1a、2a、A3和A4连接在一起；将3a、4a、A5和A6连接在一起；将B1连接到B2；将1b、2b、B3和B4连接在一起；将3b、4b、B5和B6连接在一起；将C1连接到C2；将1c、2c、C3和C4连接在一起；将3c、4c、C5和C6连接在一起；以及将5a、6a、5b、6b、5c和6c连接在一起。在该构型(挡位#2)中，当以恒定功率用作发电机时，每个有效绕组区段承载并联模式(挡位#4)电压的1/3以及并联模式(挡位#4)构型中电流的1/6。
在以串联模式(挡位#1，图14所示)运行时，单独绕组区段可以包括：将1a连接到A2；将2a连接到A3；将3a连接到A4；将4a连接到A5；将5a连接到A6；将1b连接到B2；将2b连接到B3；将3b连接到B4；将4b连接到B5；将5b连接到B6；将1c连接到C2；将2c连接到C3；将3c连接到C4；将4c连接到C5；将5c连接到C6；以及将6a、6b和6c连接在一起。在该构型(挡位#1)中，当以恒定功率用作发电机时，每个有效绕组区段承载并联模式(挡位#4)电压的1/6以及并联模式(挡位#4)构型中电流的1/12。
具有100伏特电势的20欧姆线圈的六导线***的电流在第一挡位(全部串联)中将是49.8安培匝；在第二挡位中为199.8安培匝；在第三挡位中为451.2安培匝；以及在第四挡位(全部并联)中为1800安培匝。随后，计算机可以致使处于全部并联模式的导线或导线组断开，以在第三挡位和第四挡位之间形成额外的挡位。例如，四条全并联导线为800安培匝，五条全并联导线为1250安培匝。出于说明性目的提供了前述电压，并且本领域技术人员将会意识到，可以提供不同的电压和额外构型以实现任何数量的挡位。此外，除了被配置成连接上述布置中的导线之外，一个或多个电子开关还可以被配置成断开导线/绕组中的一个或多个，例如以便在六导线***中实施四导线构型等，例如，如图11B和图11C所示，对于六导线***将两个中间挡位设置在第三挡位和第四挡位之间。当从第三挡位(挡位#3)切换到第四挡位(挡位#4——全部并联)时，可能不仅需要移除相的每个相脚中的一个或两条导线以在第三挡位和第四挡位之间形成两个或更多个挡位，而且需要在所述导线上使用脉冲宽度调制方案以将所述导线部分地包括为百分数，从而在第三挡位和第四挡位之间提供可变(例如，无级可变)挡位。
在一些实施例中，对于三相马达/发电机，六个(或四个或八个或更多个)平行的非绞合导线以与定子芯体缠绕有一条导线相同的方式绕着每个定子环的定子芯体缠绕。然而，在填充可用空间之前，这六条导线可以绕着每个芯体具有较少的缠绕。在三相马达中，每个电路相的导线(有时被称为相脚或支线)通常在公用点处集合在一起。根据本公开的各种实施例，六条导线在公用点断开或分开，并且延伸通过被配置成致使导线呈串联、并联或其组合但保持三相构型(如上所述)的切换***(例如，多个逻辑控制的电子开关)。相同或类似的切换***还可以应用于在连续组中的公用定子之间的连接，以补充定子内导线之间的连接。
在一些实施例中，单个MGT单元可以具有由不同地缠绕的两个或更多个定子组成的一个或多个转子定子组，其中每组一个或两个转子并且机械换挡以使该转子或多个转子的磁场与一个或另一个定子的电磁场接触。在一些实施例中，在任何定子与转子组合的每个定子内提供电子换挡能力，所述定子与转子组合包括：具有多个定子的MGT单元，其中每个定子一个转子并且无机械换挡；以及具有如本文描述的一个或多个转子/定子组的电动MGT单元。在两种情况下，对于多个定子或多个定子组，可以将类似接线的定子并联或串联地接线在一起。当存在四个定子时，可以如下地配置这些定子：所有定子可以并联连接(挡位#4)；两组定子可以并联连接，并且所述组串联连接(挡位#3)；或者所有定子可以串联连接(挡位#1)。当存在六个定子时，可以如下地配置这些定子：所有定子可以并联连接(挡位#4)；可以存在两组定子，每组三个定子并联接线，并且所述组串联连接(挡位#3)；存在三组定子，每组两个定子并联接线，并且所述组串联连接(挡位#2)；或者所有组串联连接(挡位#1)。
当定子在公用转轴或轴上彼此电连接时，可能需要转子相同并且可能需要定子相同地接线并且径向地定向，否则来自每个定子转子组合的电压、转矩和相可能冲突。在一些实施例中，例如，在具有公共地接线的六个定子的***中，所有定子可以需要被一起激励。如果一个或多个定子被电断开，当不存在空挡时马达/发电机会由于感生阻力而经历低效，而MGT单元可以具有空挡并且连续的定子或单元可以被设置在空挡中并且被电断开。当如上所述地切换定子之间的连接时，存在四个水平的转矩/电压。
在每组具有两个或更多个定子的六转子/定子组的实施例中，电动马达/发电机的总功率可以通过启动单元内的更多或更少的转子/定子组来增加或减少，通过将转子的磁场切换到不同接线的下一定子而进一步调节，以及通过如上所述地调节转动磁场中的转子环数目而更进一步调节。在两个或更多个转子定子组运行的情况中，每组中的激活定子、每组中的转子磁体以及每组中的定子接线都必须相同地设定并且径向地定向，随后可以通过如上所述地切换定子之间的并联/串联连接来作出转矩和电压的附加调节。
在一些实施例中，转子/定子组中的机械换挡借助定子接线的电子换挡实施，并且当存在多个定子组时，这些组被连接，具有将它们之间的连接从串联切换到并联以及所提到的其组合的能力。为进一步澄清，当将具有两个或更多个定子的第二组添加到具有两个或更多个定子的第一组时，这两个组必须处于串联或并联，以实现在它们中通过的相同电压并且对公用轴产生相同的转矩。如上所述，定子可以全部串联或者全部并联地运行，或者两个或三个定子的等同组并联地运行，其中这些组串联连接。当在串联和并联之间换挡时，定子应全部一起换挡，除非多个控制器被用于单独(独立控制的)定子组。
此外，当额外的定子组被添加到马达/发电机时，发电机的功率容量被增加并且马达/发电机还将具有不同的转矩。这可以通过设置各自具有空挡或空转位置的多个转子/定子组来实现，在该空挡或空转位置转子的磁场不与多组马达/发电机中的任何定子的电磁场接合，随后随着可用或所需功率增加，这些组中的定子根据需要投入运行。马达/发电机的功率容量还可以通过换挡到这些组内的不同地缠绕的定子来增加或减少，并且通过在任何时间调节磁通场中接合的转子磁体的数目来进一步微调。以下能力为马达/发电机提供了动态地适应广泛变化的能量源的能力：向马达/发电机添加主动定子或者从马达/发电机减去主动定子并且在定子绕组之间改变，以及添加转子并且聚焦与定子相互作用的转子的磁场，以及向转子添加磁体和从转子减去磁体，并随后将绕组从串联进一步改变为并联及串并联的组合。这用于优化马达/发电机关系以实现改进的发电以及用于适应混合动力载具、风力发电机及类似使用中的马达功率的广泛变化需求。
如本文描述的MGT单元可以具有包括标准电连接器的模块化电连接，所述标准电连接器可以被改型以附接到所述模块化端盖，以便将多个MGT单元作为一个单元电连接在一起。如本文描述的MGT单元还可以具有用于发电机模式的功率切换晶体管，MGT单元还包括用于各种马达模式(如上所述)的标准三相马达控制逆变器，所述标准三相马达控制逆变器将可变频率和脉冲宽度调制方案用于马达功能。在实施例中，功率切换晶体管处于如下构型，在该构型中发电机模式的十五相输出包括用于十五相中的每个的单独输出晶体管，在该构型中输出频率可以从该十五相中选择并且独立于转子RPM调节，以便在最小RPM可以支撑期望的最大频率时构建新频率。
如本文描述的MGT单元可以具有电子传感器，诸如附接到转子的霍尔效应、光学或其它解析传感器，所述电子传感器可以计算该转子或多个转子组件的RPM、方向和实际转动位置并将其报告给控制单元。马达/发电机可以具有：控制装置以及包括计算机的用户界面，借此根据用户预设定参数计算和调节RPM、方向、加速度、转矩、发电机模式、惯性滑行模式、马达模式和定子多线串联/并联构型；以及其它输入装置，诸如风速指示器、制动装置、加速度器装置、故障安全装置和其它输入装置。
在一些实施例中，每组的定子环(或多个定子环)或者转子环(或多个转子环)彼此径向地偏移组数除以360度的度数，并且相对的定子组或转子径向地对准，其中三相绕组的每个组产生正弦功率曲线，其相对于相邻的功率曲线偏移定子或转子所径向偏移的度数，其中多个相的输出频率可以从多个相选择并且独立于转子RPM调节，以便构建新的频率，只要可以维持最小的RPM。
在各实施方式中，电气受控开关被配置成将每个相的两条或更多条非绞合导线全部并联连接，以在马达/发电机处于星形或Y字形接线构型时产生第一转矩/速度，以及在马达/发电机处于Δ接线构型时产生第二转矩/速度。
在各实施方式中，电气受控开关被配置成将每个相的两条或更多条非绞合导线全部串联连接，以在马达/发电机处于星形或Y字形接线构型时产生第三转矩/速度，以及在马达/发电机处于Δ接线构型时产生第四转矩/速度。
在各实施方式中，两条或更多条非绞合导线包括多个具有两条导线的组，其中，电气受控开关被配置成将每个组的两条导线并联连接，并且被配置成将多个组彼此串联连接，以在马达/发电机处于星形或Y字形接线构型时产生第五转矩/速度，以及在马达/发电机处于Δ接线构型时产生第六转矩/速度，所述第五转矩/速度和所述第六转矩/速度不同于两条或更多条非绞合导线的全部并联构型和全部串联构型的转矩/速度。
在各实施方式中，两条或更多条非绞合导线包括多个具有三条导线的组，其中，电气受控开关被配置成将每个组的三条导线并联连接，并且被配置成将多个组彼此串联连接，以在马达/发电机处于星形或Y字形接线构型时产生第七转矩/速度，以及在马达/发电机处于Δ接线构型时产生第八转矩/速度，所述第七转矩/速度和所述第八转矩/速度不同于两条或更多条非绞合导线的全部并联构型和全部串联构型的转矩/速度。
在各实施方式中，两条或更多条非绞合导线包括多个具有四条导线的组，其中，电气受控开关被配置成将每个组的四条导线并联连接，并且被配置成将多个组彼此串联连接，以在马达/发电机处于星形或Y字形接线构型时产生第九转矩/速度，以及在马达/发电机处于Δ接线构型时产生第十转矩/速度，所述第九转矩/速度和所述第十转矩/速度不同于不同于两条或更多条非绞合导线的全部并联构型和全部串联构型的转矩/速度。
在各实施方式中，电气受控开关被配置成将两条或更多条非绞合导线中的至少一条导线从串联或并联构型断开，使得电流不流过所述被断开的至少一条导线而流过在串联或并联构型中连接的其余导线，其中，相中的被断开的每个导线减小了每个芯体中的安培匝数，并且产生与所有导线以串联或并联构型连接时不同的转矩/速度。
在各实施方式中，定子芯体的中心平面和转子磁体的转动平面可以在轴向方向上彼此偏移变化的受控量，其中，从共面位置增加两个平面之间的距离减小了由芯体上的磁体所产生的反电动势的大小，从而提供了用于平衡由于从并联构型切换到串联构型和/或从Y字形接线构型切换到Δ接线构型而在绕组中产生的磁通密度的手段，使得由永磁体产生的磁通密度能在每次设定电气受控开关时实现能量效率。
在各实施方式中，定子芯体绕组是多极的，并且每个相中的磁极绕着定子的周边等间隔布置，其中，每个磁极芯体绕组两端端接有相应的电气受控开关，使得相绕组中的磁极可以串联或并联地连接，或者呈具有并联连接的两个或更多个磁极的组、各组彼此串联连接的方式。
在各实施方式中，一个或多个定子包括至少第一定子环和第二定子环，其中，第一定子环和第二定子环的相应定子绕组在轴向方向上间隔开并且不同地绕芯(cored)和/或缠绕，以形成转矩/速度和电流/电压的两个不同性能范围，这两个不同性能范围中的每个对应于转子与第一定子环和第二定子环中的选定一个的对准。
在各实施方式中，定子环(或多个定子环)或者转子环(或多个转子环)的平移由来自计算机***的指令控制，所述计算机***可以接受来自各种转矩、速度、电压、电流、热、接近度和其它输入传感器和/或人类致动控制装置(例如，计算机界面装置)的信息。计算机***可以被配置成执行一个或多个算法，以控制定子环(或多个定子环)或者转子环(或多个转子环)从位置1、位置2、位置3的运动或者到位置1、位置2、位置3的运动以及从位置1、位置2、位置3之间的其它位置的运动或者到位置1、位置2、位置3之间的其它位置的运动，以便影响定子环(或多个定子环)或者转子环(或多个转子环)之间的磁相互作用，从而改变MGT单元的速度/转矩以及伏安比，进而致使MGT单元作为传动装置执行。
在各实施方式中，定子环和转子环可以是层压铁板、铁粉和树脂或马达或发电机技术中已知的任何其它材料中的至少一种。沿着转子环的周边的永磁体可以由以下项组成：钕铁棚(NdFeB)，或者具有相当或更好磁强度和/或磁体矫顽性组分的材料，或者具有增加的磁强度和/或矫顽性的磁体。
在各实施方式中，以Y字形或Δ构型串联连接的两条或更多条非绞合平行导线中的任一条或多条可以从该串联构型断开，使得电流不流过该一条或多条导线但流过串联连接的其余导线。与全部导线都被包括在串联绕组中的情况相比，在相中断开每条导线减少了每个芯中的安培匝数并且对于所断开每条导线产生了不同的转矩/速度和伏安比。例如，图11B和图11C示出了这种示例，在该示例中每个相脚中的非绞合平行导线中的一部分并联地连接，并且一条或多条导线与导线的连接部分断开。
在各实施方式中，芯体相绕组中的多条导线可以具有不同的直径，其具有不同电流承载能力和电阻，以使得能在进行换挡时实施芯体绕组中的不同电流和安培/匝数组合。
在各实施方式中，定子芯体绕组是多极的，并且每个相中的磁极围绕定子的周边间隔开，其中，每个极芯体绕组在两端上端接电气受控开关，使得相绕组中的磁极可以串联或并联地连接，或者呈具有并联连接的两个或更多个磁极的组并且所述组彼此串联连接，并且使得线圈可以被独立地激励。
在一些实施例中，定子环是双缠绕式的。例如，图37A示出了单缠绕的分割式定子，图37B示出了双缠绕的分割式定子。参见图37A，该附图示出了三相定子在正常模式中作为一个单定子的连接。图37A所示的定子环具有42个单独的线圈(14个三相组)。每个相的中间抽头(即A、B和C)连接到相应的相，其中所有的A连接(A connections)在一起，所有的B连接在一起，并且所有的C连接在一起。A中间抽头连接用于来自控制器的相1或L1输入。B中间抽头连接用于来自控制器的相2或L2输入。C中间抽头连接用于来自控制器的相3或L3输入。现在参见图37B，该附图示出了三相定子在分割模式中作为双定子的连接。例如，图37B中的定子环被配置成在定子环中可用的线圈空间中的一半线圈空间中具有第一组定子线圈，所述第一组定子线圈与未设有第一组定子线圈的线圈空间绕着该环交替地间隔开。该第一组定子线圈由第一控制器伺服。该定子环被进一步配置成在定子环的线圈空间中的其余一半线圈空间中具有第二组定子线圈。该第二组定子线圈由第二控制器伺服。公用计算机处理器被配置成彼此独立地控制第一控制器和第一组定子线圈与第二控制器和第二组定子线圈。在图37B所示的实施例中，定子环具有42个单独线圈(两种具有7个三相组的单独情况)。它们围绕定子框架的周边均匀地间隔开并且平衡。每个相的中间抽头(即A、B和C)连接到相应的相，其中，所有的A连接在一起，所有的B连接在一起，并且所有的C连接在一起。每个相的中间抽头(即X、Y和Z)也连接到相应的相，其中，所有的X连接在一起，所有的Y连接在一起，并且所有的Z连接在一起。A中间抽头连接用于来自控制器的相1或L1输入。B中间抽头连接用于来自控制器的相2或L2输入。C中间抽头连接用于来自控制器的相3或L3输入。X中间抽头连接用于来自控制器的相1或T1输入。Y中间抽头连接用于来自控制器的相2或T2输入。Z中间抽头连接用于来自控制器的相3或T3输入。图37B中所示的构型能够在单个定子框架内同时利用两个控制器，从而使得能进行串联/并联内部切换，同时一个控制器(即，连接到未被重构的导线的控制器)仍在运行。
已经讨论了切换式定子绕组的使用，其中定子线圈缠绕有多条导线，所述多条导线能够以Y字形或Δ构型在全部串联、全部并联或其组合之间切换。以下是已经遇到的一些问题。在切换的时间间隔期间可以存在转矩损失，导致正被推进的载具的剧动或急动。无法调节或削弱磁场或者永磁体马达。可能的多于两条导线的情况并不总是符合实际的。
发明人已发现，不仅在切换间隔中存在转矩损失，而且全部并联和全部串联之间的速度/转矩比值差与在Δ构型与Y字形构型之间的切换一样相当地严重。转矩和速度的这种很大差值还导致剧动或突然移动。在本公开的一些实施方式(例如，图1至图6)中，MGT单元具有两个或更多个多线缠绕的定子环以及一个永磁体转子环。这些定子环和该转子环可以被重新定位，同时定子绕组被电子地配置成形成协同关系时，借此MGT单元可以从一个挡位电动地换挡到下一挡位，并且还可以机械地切换以使挡位之间的过渡平滑。例如，第一定子环的定子绕组可以被配置在第一挡位中，并且第二定子环的定子绕组可以被配置在第二挡位中。转子环可以从第一位置(接合第一定子环)移动到第二位置(接合第二定子环)，以提供从第一挡位到第二挡位的平滑换挡。类似地，第一定子环的定子绕组可以切换到第三挡位中，并且转子环可以返回到接合第一定子环的位置，以提供从第二挡位到第三挡位的平滑换挡。可以重复该过程以在任一方向上从一个挡位平滑地过渡到下一挡位(例如，使挡位向上或向下)。
在一些实施例中，导线和定子磁极的切换由计算机***控制，所述计算机***可以接受来自各种转矩、速度、电压、电流、热、接近度和其它输入传感器和/或人类致动控制装置(例如，计算机界面装置)的信息。该计算机***可以被配置成通过执行一个或多个算法来处理信息，以改变MGT单元的速度/转矩和伏安比，从而致使MGT单元作为传动装置运行。
在一些实施例中，转子组件包括两个转子环，该两个转子环具有相应组的永磁体(例如，如本文描述以及在图16至图24或图25至图36所示的)，其中，两个转子环可滑动地联接到其纵向转子支撑结构，并且它们在计算机***的控制下通过线性运动装置(例如，线性致动器)移动或平移更靠近彼此或者更进一步远离彼此，该线性运动装置诸如为由定位在转子环、螺线管、液压或气压缸等的腔室内的步进马达驱动定位螺杆。这些单元还可以具有两个定子和三个转子，两个转子在每次在定子之间来回切换时与任一个定子接合，以如上所述地在接线构型之间完成换挡的平滑过渡。
在全部并联、全部串联的Δ和Y字形连接之间实施切换的一些尝试构型中，该过程由于在完成从一个接线构型到另一接线构型的切换所需的短时间间隔期间或紧随其后的对于机械程序大体不能接受的功率中断、大功率湍振(surge)和振动(jolt)而受阻，并且已被进一步限制为尝试形成多速度电动马达。
本公开消除了中断、功率湍振和振动问题并且进一步集中于对于马达或发电机所处于每个速度和转矩范围获得最有效的能量消耗/产生。当前的电动马达技术在马达/发电机所被设计成的恒定的速度和转矩设定下形成高效率的马达/发电机。本公开在宽得多的速度/转矩频谱上形成了多个高效点，并且使得马达/发电机能调节或微调定子线圈和转子磁体之间的磁场，从而满足(或者几乎满足)采用所述MGT单元的马达或发电机的最佳电流和转矩要求，并且优化广泛变化的条件中任何时间的效率，广泛变化的条件诸如为公交车或货运卡车上的马达/发电机或处于广泛变化的风力条件中的风力机上的发电机，或者具有可变转矩/速度要求的其它马达/发电机配置。
示例性实施方式—MGT单元和/或***控制
诸如本文描述的MGT单元中的任一个的MGT单元，包括其部件中的一些或所有，可以在计算机控制下运行。例如，图15示出了用于操作一个或多个MGT单元的控制***100。MGT单元计算机***102可以被配置成与以下项对接：用于控制供应到定子线圈或从定子线圈供应的电压、频率和/或电流的控制器120(例如，H桥接控制器、逆变器和/或转换器)；致动器(或多个致动器)110(例如，线性定子和/或转子致动器(或多个致动器))；电子开关112，该电子开关112用于如本文描述地将定子绕组重构成星形/Y字形构型和Δ构型以及并联构型和串联构型及其组合；传感器(或多个传感器)116(例如，用于检测转动频率(RPM)的霍尔效应或光学传感器，电压传感器，电流传感器，频率传感器等)；制动/油门控制器118；等等。在一些实施例中，MGT单元包括计算机***102。在其它实施例中，计算机***102可以通信地联接到MGT单元。处理器104可以与计算机***102包括在一起或被包括在计算机***102中，以使用软件、固件、硬件(例如，固定逻辑电路)、人工处理或其组合来如本文所述地控制MGT单元(或多个MGT单元)的部件和功能。如本文所使用的术语“计算机***”、“功能”、“服务”和“逻辑”大体表示与控制MGT单元相结合的软件、固件、硬件或者软件、固件或硬件的组合。在软件实施方式的情况中，模块、功能或逻辑表示当在处理器(例如，中央处理单元(CPU)或多个CPU)上执行时实施规定任务的程序代码(例如，在非暂时性计算机可读介质中体现的算法)。所述程序代码可以被存储在一个或多个非暂时性计算机可读存储器装置或介质(例如，内部存储器和/或一个或多个有形介质)等中。例如，存储器可以包括但不限于：易失存储器、非易失存储器、闪存、SRAM、DRAM、RAM和ROM。本文描述的结构、功能、方法和技术可以在具有多种处理器的多种商用计算平台上实施。
计算机***102可以包括处理器104、存储器106和通信接口108。处理器104提供用于至少计算机***102的处理功能并且可以包括任何数量的处理器、微控制器、电路、现场可编程门阵列(FPGA)或其它处理***、以及用于存储数据、可执行代码及由计算机***102存取或产生的其它信息的常驻或外部存储器。处理器104可以执行在实施本文描述技术的非暂时性计算机可读介质中体现的一个或多个软件程序。处理器104并不受限于形成其的材料或者其中所采用的处理机构，并且因此可以经由半导体(或多个半导体)和/或晶体管(或多个晶体管)(例如，使用电子集成电路(IC)部件)等实施。
计算机***102可以包括存储器106(例如，闪存、RAM、SRAM、DRAM、ROM等)。存储器106可以是有形的计算机可读存储介质的示例，其提供存储功能以存储各种数据和/或与计算机***102的运行相关联的诸如软件程序程和/或代码段的序代码，或者用于指令处理器104以及可能地指令MGT单元的其它部件的其它数据，从而施实本文描述功能。因此，存储器106可以存储数据，诸如用于操作MGT单元(包括其部件)的指令程序。应该注意的是，虽然描述了单个存储器106，但是可以采用各种类型和组合的存储器(例如，有形的非暂时性存储器)。存储器106可以与处理器104一体，可以包括独立存储器，或可以是两者的组合。
存储器106的某些示例可以包括可拆卸和不可拆卸的存储部件，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存(例如，安全数字(SD)存储器卡、迷你SD存储器卡和/或微型SD存储器卡)、磁性存储器、光学存储器、通用串行总线(USB)存储器装置、硬盘存储器、外部存储器，等等。在各实施方式中，计算机***102和/或存储器106可以包括可拆卸的集成电路卡(ICC)存储器，诸如由用户识别模块(SIM)卡、通用用户识别模块(USIM)卡、通用集成电路卡(UICC)等提供的存储器。
计算机***102可以包括通信接口108。通信接口108可以***作地配置成与MGT单元的部件进行通信。例如，通信接口108可以被配置成传输数据以存储在MGT单元中、检索储存在MGT单元中的数据等等。通信接口108还可以与处理器104通信地联接，以促进MGT单元的部件与处理器104之间的数据传送(例如，用于将从与MGT单元/计算机***102通信地联接的装置接收的输入传送到处理器104)。应该注意的是，虽然通信接口108被描述为计算机***102的部件，但是该通信接口108的一个或多个部件可以被实施为经由有线和/或无线连接通信地联接到MGT单元的外部部件。MGT单元还可以包括和/或(例如，经由通信接口108)连接到一个或多个输入/输出(I/O)装置，输入/输出(I/O)装置诸如为显示器、鼠标、触摸板、触摸屏、键盘、麦克风(例如，用于语音指令)等等。
通信接口108和/或处理器104可以被配置成与各种不同的网络通信，诸如广域蜂巢式电话网络，诸如蜂巢式网络、3G蜂巢式网络、4G蜂巢式网络或全球移动通信***(GSM)网络；无线计算机通信网络，诸如WiFi网络(例如，使用IEEE 802.11网络标准运行的无线局域网络(WLAN))；特设无线网络，互联网；因特网；广域网(WAN)；局域网络(LAN)；个人局域网络(PAN)(例如，使用IEEE 802.15网络标准运行的无线个人局域网络(WPAN))；公共电话网络；外联网；内联网；等等。然而，该列表仅经由示例提供，而并不旨在限制本公开。此外，通信接口108可以被配置成在不同的接入点上与单个网络或多个网络通信。在特定的实施例中，通信接口108可以将信息从计算机***102传输到外部装置(例如，蜂窝电话、连接到WiFi网络的计算机、云存储等)。在另一特定实施例中，通信接口108可以从外部装置(例如，蜂窝电话、连接到WiFi网络的计算机、云存储等)接收信息。
控制器120被配置成控制(在马达的情况下)供应到定子线圈114的信号的电压、电流和/或频率或者(在发电机的情况下)从定子线圈114供应的信号的电压、电流和/或频率(例如，通过图1至图14以及图16至图36中任一幅的定子线圈的导线的信号)。例如，控制器120可以被配置成基于来自制动/油门118和/或传感器(或多个传感器)116的输入信号(例如，基于检测到的转子环RPM或径向位置)来调节电压、电流和/或频率。计算机***102被配置成监测控制器120以及可能的其它数据源(例如，用于RPM读数、制动/油门118输入等的传感器(或多个传感器)116)。基于从这些数据源接收的信息，计算机***102可以操作致动器110、电子开关112和控制器120。例如，当控制器120已经达到预定的运行阈值(例如，最小/最大电压、电流、频率等)时，计算机***102可以被配置成致使控制器120被设置在空挡状态中，同时计算机***102致使致动器110和/或电子开关112(如关于图1至图14以及图16至图36中任一幅所述地)重构定子和/或转子环。计算机***102被配置成随后致使控制器120以如下的电流、电压和/或频率下恢复到定子线圈的传动或者恢复来自定子线圈的传动，该电流、电压和/或频率提供与在机械和/或电气地重构转子和/或定子环之前所提供的近似相同的安培匝数(At)。随后，控制器120可以继续运行，直到达到另一运行阈值，在该运行阈值，计算机***102随后可以重复MGT单元部件的相同重构和再编程。
计算机***102可以被配置成致使电子开关112至少部分地基于第一转子环和第二转子环的转动频率(例如，RPM)来切换定子线圈的接线或相构型。例如，计算机***102可以控制电子开关112和/或致动器110，以基于转动频率或指示***功率要求的其它信息来改变***的电气和/或机械构型。计算机***102可以实施多个挡位(即，不同的机械和/或电气构型)以连续地增加或减小安培匝数能力，从而随着对MGT单元/***功率的需求的增加或较小而增加或减小定子线圈的磁场的对应强度。计算机***可以被配置成致使电子开关112将定子线圈的多条平行非绞合导线全部串联连接、全部并联连接或者以串联和并联的组合连接。计算机***102还可以被配置成致使电子开关112将多条平行非绞合导线中的一部分导线全部串联连接、全部并联连接或者以串联和并联的组合连接，并且被配置成致使电子开关112将多条平行非绞合导线中的一条或多条导线与所述一部分导线(例如，参见图11B和图11C)。计算机***102可以被配置成致使电子开关112在星形(Y)构型和Δ构型之间切换相接线，并且被配置成将该多条平行非绞合导线全部串联连接、全部并联连接或者以串联和并联的组合连接。计算机***102可以被配置成致使电子开关112在星形(Y)构型和Δ构型之间切换相接线，被配置成致使电子开关112将多条平行非绞合导线中的一部分导线全部串联连接、全部并联连接或者以串联和并联的组合连接，并且被配置成致使电子开关112将多条平行非绞合导线中的一条或多条导线与所述一部分导线。在诸如图16至图24或图25至图36所示的实施方式中，计算机***102可以被配置成致使致动器(或多个致动器)：将第一转子环和第二转子环分别设置在位于定子环中心平面的两侧上的第一位置，在该第一位置处，从定子环中心到每个转子环内表面的距离近似为该转子环在轴向方向上的长度；将第一转子环和第二转子环分别设置在位于定子环的两端上的第二位置，在该第二位置第一转子环和第二转子环的内表面与定子环的相应外表面共面；将第一转子环和第二转子环设置在第三位置，在该第三位置第一转子环和第二转子环的内表面与定子的中心平面共面；以及将第一转子环和第二转子环设置在除第一位置、第二位置和第三位置以外的一个或多个位置。这些是电气和/或机械构型的一些示例，其可以受计算机***102影响以便改变MGT单元/***中的磁场强度和相互作用。前述运行的任何组合可以通过MGT控制***100实施，以改进/优化总体***的效率。
在各实施例中，MGT***可以包括另一MGT***计算机，其也可以包括诸如本文描述的那些处理器、存储器和通信接口的处理器、存储器和通信接口。MGT***计算机可以与包括计算机***102的MGT单元通信以及与可能的一个或多个额外的MGT单元及其相应的计算机***通信，从而提供用于MGT***的中央处理。MGT***计算机可以被配置成接收操作者的指令和参数，诸如RPM、速度、转矩参数等等，并且MGT***计算机可以基于所接收的信息控制MGT单元，以控制定子和/或转子定位以及定子绕组和/或相接线构型，以便实现期望(例如，最佳或接近最佳)的***要求。
通常，本文描述功能中的任一个都可以使用硬件(例如，诸如集成电路的固定逻辑电路)、软件、固件、人工处理或其组合来实施。因此，以上公开内容中所讨论的块大体表示硬件(例如，诸如集成电路的固定逻辑电路)、软件、固件或其组合。在硬件构造的情况下，以上公开内容中所讨论的各种块可以被实施为连同其它功能一起的集成电路。这些集成电路可以包括给定块、***或电路的所有功能，或者该块、***或电路的一部分功能。此外，可以在多个集成电路上实施该块、***或电路的元件。这些集成电路可以包括各种集成电路，包括但不必限于：单片式集成电路、倒装芯片集成电路、多芯片模块集成电路，和/或混合信号集成电路。在软件实施方式的情况下，以上公开内容中所讨论的各种块表示当在处理器上执行时实施规定任务的可执行指令(例如，程序代码)。这些可执行指令可以存储在一个或多个有形计算机可读介质中。在一些这种情况下，可以使用其软件或固件等效物来实施整个***、块或电路。在其它情况下，可以在软件或固件中实施给定***、块或电路的一个部分，同时在硬件中实施其它部分。
本文已经描述了MGT单元的各种实施例。可以在各种发电和功率管理应用中实施这些MGT单元。例如，可以在发电装置(例如，风力机、水力发电机，等等)以及诸如混合动力载具(例如，汽车、摩托车等)、混合动力海上船舶、混合动力飞机的具有多个功率源的载具或马达驱动装置中实施本文描述的MGT单元。以下讨论了一些示例性应用。
示例性实施方式—风力发电***
在一种示例性应用中，在风力机或风力涡轮机中实施如本文描述的MGT单元，运行方案可以在无风的情况下在风力涡轮机启动，并且定子环(或多个定子环)和转子环(或多个转子环)处于无效的“停止”状态。在这种情况下，致动器已将定子环(或多个定子环)和/或转子环(或多个转子环)移动到在该处定子绕组与转子磁体的磁场脱离接合的位置。随着风速开始增加，传感器可以测量RPM并将定子环(或多个定子环)和/或转子环(或多个转子环)从空挡模式“换挡”或移动到如下位置，在该位置处转子磁体的磁场接合最少量的定子线圈并且是需要最小量转矩的100％并联，以使得风力机的转动能在非常低的风速下开始，并且与常规发电机可以“启动”相比而更快地发电。计算机***可以收集来自风速传感器的数据以及风力机的转动速度。随着风速增加，计算机***可以将MGT单元从挡位#1(100％并联)换挡到挡位#2(三个具有两条并联导线的组串联连接)，以此类推地换挡到挡位#3和#4等等(以及可能的中间挡位)，以增加转动风力机叶片所需的转矩，直到实现预设定的转动速度，或者直到定子/转子组的抵抗转矩等于风力并且风力机叶片以恒定的速度转动。
由于计算机***监测风速以及能够从风获得的功率，其可以接合一个、两个、三个或更多个的定子/转子组的致动器，以匹配当前的风力而如上所述地将每个定子/转子组换挡通过其各个挡位和定子/转子，直到实现风力机叶片的转动速度的平衡并且风力与风力发电机的最佳或几乎最佳发电容量匹配并维持所需的线路电压。随着风速增加并且期望使额外的定子组投入运行(例如，从三个组到四个组)，计算机可以确定这四个组可以处于哪个挡位并且启动哪个定子，随后暂时地将这三个组电气断开，将这四个组设置成新构型并且重新电连接这四个组，以便使每个定子组传出相同电压而同时地换挡。通过精细地调节各组中定子和转子的对准实现了最终调节和微调。当需要较小调节以适应风速的较小变化时，上述情况也适用。
当风速减退并且在线的定子组数目需要从四个减少到三个时，最后投入运行的定子组被电气断开，其定子被重新定位到空挡并且调节其余三个定子组以匹配风力，该风力随后由风力机利用发电。通过这种方式，根据本公开的***和技术可以准确地、快速地和有效地平衡马达发电机的功率输出与各级风速下的可用风速，并高效速率地用风发电。通常，马达/发电机中的在一起作用的全部串联设置的定子/转子组的总数目可以对应于风力机及其叶片的最大结构和机械能力。在与一些发电机一样的最大容量点，其可以自动地停机。但不同于具有窄风速频带(在该窄风速频带，发电机有效地运行)的发电机，根据本公开的技术可以在高达风力机的结构容量的整个风速范围中以高效率从风提取增加的动力。当风速开始减慢并且输出电压下降时，该单元可以向下换挡到下一定子接线模式，以增加电压/功率收集。当风速下降到非常慢的条件时，尽管没有产生很多的功率时，但该单元仍可能捕获这种风力并帮助年度风力涡轮机输出实现更大的总体机械效率，而常规发电机可能不得不停机。
可以在更大的放大变型中描述另一运行功能，如在兆瓦级风力涡轮机中。这种方案可以表现为与在很小型风力机的示例相同，但发电机的构造可以更大，可以在三相构型中具有多达12个或更多的定子/转子组，以使能够在高度可变风的条件下实现RPM改变的平滑过渡。定子接合过程也可以相同或类似，除了额外的用户控制、用于电网控制的传感器以及用于感测负载并调节到消费者需求的监测***外。
本公开的另一特征是添加更大的定子/转子组以及使每个定子/转子组在转动上偏移几度以便使定子和转子区段的数量等于均匀间隔开的转动偏移的能力。这可以帮助发电机的“齿槽效应”并能够实现本公开的设计，借此可以控制所述多个定子绕组，以使机载绝缘栅双极晶体管(IGBT)选择不同的高电压点和低电压点并且使用脉冲宽度调制(PWM)方案，以60hz的设定频率构建并形成三相正弦波。当感测RPM变化和波动时，这种控制可以调节定子绕组区段，以甚至在注意到适度的RPM变化时保持和维持该频率。在没有由于AC到DC的转换损失和大逆变器***功率消耗的情况下，这是用于可变转动电源和用于局部电网或紧急电源的恒定频率产生输出的解决方案。为了理解该过程，提供了具有多极三相绕组的大型定子组以及12个定子及转子组的示例。在该示例中，该定子组彼此对准，但转子组转动地偏移多极转动角度的1/12。这可以提供在振荡偏移中等间隔的12个单独三相输出。随后，计算机***可以获取当前的RPM、加速度、负载、反电动势(电磁力)、输出频率以及目标频率，并使用PWM切换IGBT以从多个相选择即将到来的动力势并且从所产生的多个相的高点和低点产生目标频率，可能地不管源RPM如何(例如，只要该RPM足以维持目标电压和功率输出)。对于阵风和非常低风速的状态以及介于二者之间的状态，定子区段的相同线性致动可以调节转矩和变化风速转子RPM，同时产生有效功率。
在诸如潮汐和波浪发电机的其它可再生能源的应用中，本公开的运行功能可以利用RPM的这种相同可变性来增加效率，其中所述能源是间歇性和不可靠的，例如，波浪和可能的潮汐发电机还可以使发电机转动一个方向随后立即改变转动方向并继续有效地产生功率。本公开具有以下能力：添加额外的转子/定子组以增加和/或减小功率容量，并随后借助定子和/或转子线性运动微调输出以与逐渐振荡的输出功率源和方向改变一致，并且通过在定子与并联或串联绕组之间切换来进一步调节伏安比，以增加单元的效率从而匹配某一时刻的可变输入。
示例性实施方式—混合动力载具推进***
图38示出了MGT单元在混合动力载具(例如，汽车、轮船或其它运输载具)中的实施，其中操作者输入600通过诸如油门、制动踏板、点火开关、前进回动杆等的常规载具部件提供到计算机***601。MGT单元的优点在于：其具有空挡以及在空挡和全功率之间的速度和功率的许多组合，而不需要在其与内燃机603之间的离合器互连606，并且是其自身的传动装置。并且，多个MGT单元可以如图38所示地联接在一起(例如，MGT单元604和605)以极大地增加可用功率。
当载具仅在燃烧功率下运行时，MGT单元604和605可被设置在空挡并且载具可以作为当今道路上的任何其它载具而被驱动，除了MGT单元604和/或605中的任一个或两者可以使其转子从位置1(空挡)移动到位置2(例如，如图23所示)之外，在该位置2，产生了用于在漫长高速公路旅行中为蓄电池再充电的涓流功率，并且从内燃机603获得了可忽略的功率。如果需要更快速地完全充电，MGT单元604和/或MGT单元605中的转子环可以基于来自计算机***601(例如，诸如本文描述的MGT单元计算机***102和/或MGT***计算机)的一个或多个指令朝着位置3(例如，如图24所示)前进，在该位置3，对蓄电池储备的需求与所增加的燃料消耗的费用和可用性以及操作者要求/输入保持平衡。并且，当在燃烧功率下随着操作者施加压力到制动踏板，MGT单元604和605中的一个或两个中的转子环快速地朝位置3前进，发电以对蓄电池再充电，同时向驱动轴施加与由操作者施加到制动踏板的压力量相称的制动力以停止载具。MGT的这一特征借助于以下事实超越了混合动力电动载具中的任何类似应用：MGT转子中的永磁体可以大于在常规马达中使用的永磁体，这是由于在转子和定子之间磁场的相互作用可以在0和最大值之间变化，当作为马达运行时利用较低值而在一些情况下当作为制动发电运行时利用较高值。并且，当在高速度下施加制动时，相当大的电量可以在短时间周期内产生并且超过定子线圈导线的电流容量。当这发生在MGT单元604和605中时，它们的定子线圈被切换到将适应电流突然增加的全部并联或者串并联的组合。这在任何常规电动马达/发电机中是不可能的。
在诸如高速交通的某些应用中，可以期望具有内燃机603，所述内燃机603提供动力到第一MGT单元604和第二MGT单元605，所述第一MGT单元604用作供应功率以对蓄电池组602充电的发电机，所述第二MGT单元605提供机械动力到轮系的驱动轮。在这种情况下，离合器606将安装在MGT单元604和605之间。MGT单元604用作发电机而MGT单元605用作推动单元，其中在任何时间点包括内燃机603的所有三者都可以提供机械动力到连接驱动轮的驱动轴607，并且在任何时间点两个单元(MGT单元604和MGT单元605)可以发电以对蓄电池602充电，同时供应制动能量以停止载具(例如，轮系)。
在一些应用中，混合动力载具可以配备有内燃机，所述内燃机运行起来非常经济，但仅具有足以在平地上以慢速度或在州际公路上以较高速度推进载具但不足以用于快速加速或爬坡的动力。在这种应用中，MGT单元是理想的，因为其具有空挡并且当内燃机在其最经济模式中运行时将不提取功率，但当通过地形或通过操作者在加速装置上的施加压力时，中央处理器将启动一个或多个MGT单元并且移动其转子并切换其定子导线，以用充足的机电功率补充内燃机的动力，从而满足即将发生的条件或情况。这种相同的载具还将具有与如上所述相同的蓄电池再充电以及制动特征。
当MGT单元被用于推进不包括内燃机的载具时，它们也非常有效，与在可变速度和转矩应用下的常规马达相比更是如此。常规电动马达在它们被设计用于的非常狭窄速度和转矩范围下很有效。高效率需要平衡在转子和定子之间的磁通流动或磁通相互作用。常规马达可以在狭窄范围上改变定子线圈中电力的电压和电流，并且在该过程中改变定子磁场的强度，但其不能改变在永磁体电动马达中的转子的磁场强度并且仅低效地改变在其它交流马达中的转子的磁场强度。因此，当在常规马达中的定子磁场强度从其设计值变化时，其损失效率，这是由于其不与转子的磁场平衡。本公开的MGT单元可以随着定子的磁通量变化改变来自转子的磁通量，并且通过在其定子线圈中从全部串联切换到全部并联或其组合而进一步增加定子的可变性，借此转子和定子的磁场之间的平衡通过来自计算机***的移动转子位置的指令、在串联和并联的组合之间切换定子线以及增加或减少流到定子线圈的电力的电压、电流和频率来维持。
尽管已经以专用于结构特征和/或过程运行的语言描述了主题，但应理解的是，在所附权利要求中限定的主题不一定限于如上所述的特定特征或动作。更确切地说，如上所述的特定特征和动作被公开为实施这些权利要求的示例性形式。

Claims (30)

1.一种马达/发电机/传动***，包括：
具有第一端板和第二端板的壳体，所述第一端板平行于所述第二端板并且与所述第二端板间隔开；
轴，所述轴具有在所述第一端板和所述第二端板之间纵向延伸的转动轴线，所述轴被可转动地联接到所述第一端板和所述第二端板；
定子支撑结构，所述定子支撑结构在所述第一端板与所述第二端板之间沿着所述轴纵向延伸，所述定子支撑结构联接到所述第一端板和所述第二端板，所述定子支撑结构具有与所述轴的转动轴线重合的中心轴线；
定子环，所述定子环具有与所述定子支撑结构的中心轴线重合的中心轴线，所述定子环被可滑动地联接到所述定子支撑结构，并且被配置成沿着所述定子支撑结构在第一轴向方向上或者在第二轴向方向上平移，所述第二轴向方向与所述第一轴向方向相反，所述定子环具有绕着所述定子环的周边布置的多个定子线圈，其中，所述多个定子线圈的每个相包括相应一组多条平行非绞合导线，所述多条平行非绞合导线在中间抽头处用电子开关分开，所述电子开关用于将所述定子线圈的每个相的平行非绞合导线全部串联连接、全部并联连接或者以串联和并联的组合连接；
定子线性致动器，所述定子线性致动器被配置成在所述第一轴向方向上或者在所述第二轴向方向上致动所述定子环；
联接到所述轴的转子支撑结构，所述转子支撑结构沿着所述轴纵向延伸并且具有与所述轴的转动轴线重合的中心轴线；
第一转子环和第二转子环，所述第一转子环和所述第二转子环各自具有与所述轴的转动轴线重合的转动轴线，所述第一转子环和所述第二转子环被可滑动地联接到所述转子支撑结构，并且被配置成沿着所述转子支撑结构在所述第一轴向方向上或者在所述第二轴向方向上平移，所述第一转子环和所述第二转子环中的每个具有绕着所述转子环的周边布置的且南北极交替地径向向外朝向的多个永磁体，其中，北极径向向外朝向的永磁体与南极径向向外朝向的永磁体在所述第一转子环和所述第二转子环上处于相同的径向位置，所述定子环具有在垂直于所述第一转子环和所述第二转子环的转动轴线的轴向方向上平分所述定子环的长度的中心平面，所述第一转子环和所述第二转子环被配置成分别定位在所述定子环的中心平面的两侧上，使得当所述第一转子环和所述第二转子环的内表面与所述中心平面对齐时，所述第一转子环和所述第二转子环以及所述定子环与所述转子环和所述定子环之间的周向气隙同心，并且所述转子环和所述定子环被配置成能够在所述第一轴向方向上或者在所述第二轴向方向上平移，使得所述第一转子环和所述第二转子环的内表面被配置成从与所述定子的中心平面对齐被重新定位到在由所述转子支撑结构限定的范围内的所述定子的中心平面之外的相应位置；
至少一个转子线性致动器，所述至少一个转子线性致动器被配置成在所述第一轴向方向上或者在所述第二轴向方向上致动所述第一转子环或第二转子环中的至少一个；
控制器，所述控制器被配置成控制被供应到所述定子线圈的电力的电压、电流和频率；以及
与所述控制器、所述至少一个定子线性致动器、所述至少一个转子线性致动器和所述电子开关通信的计算机***，所述计算机***被配置成控制所述控制器、所述电子开关、所述至少一个线性定子致动器和所述至少一个线性转子致动器。
2.根据权利要求1所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述计算机***被配置成致使所述电子开关将所述多条平行非绞合导线全部串联连接、全部并联连接或者以串联和并联的组合连接。
3.根据权利要求1所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述多条平行非绞合导线的电子开关包括被配置成将每个相中的所述一组多条平行非绞合导线中的一条或多条导线断开的一个或多个电子开关。
4.根据权利要求3所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述计算机***被配置成致使所述电子开关将所述多条平行非绞合导线中的一部分导线全部串联连接、全部并联连接或者以串联和并联的组合连接，并且被配置成致使所述电子开关将所述多条平行非绞合导线中的所述一部分导线中的一条或多条导线断开。
5.根据权利要求3所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述多条平行非绞合导线的电子开关包括被配置成当从最后的串联/并联构型改变到全部并联构型时将每个相中的所述一组多条平行非绞合导线中的一条或多条导线断开的一个或多个电子开关，并且所述计算机***被配置成致使所述控制器在被断开导线上施加脉冲宽度调制，从而赋予一定百分比的所述被断开导线局部接合。
6.根据权利要求1所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述多条平行非绞合导线的相接线呈星形(Y)构型或Δ构型，所述电子开关包括被配置成使所述相接线在所述星形(Y)构型和所述Δ构型之间切换的一个或多个电子开关。
7.根据权利要求6所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述计算机***被配置成致使所述电子开关使所述相接线在所述星形(Y)构型和所述Δ构型之间切换，并且被配置成将所述多条平行非绞合导线全部串联连接、全部并联连接或以串联和并联的组合连接。
8.根据权利要求6所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述计算机***被配置成致使所述电子开关使所述相接线在所述星形(Y)构型和所述Δ构型之间切换，被配置成致使所述电子开关将所述多条平行非绞合导线中的一部分导线全部串联连接、全部并联连接或者以串联和并联的组合连接，并且被配置成致使所述电子开关将所述多条平行非绞合导线中的所述一部分导线中的一条或多条导线断开。
9.根据权利要求1所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述马达/发电机/传动***还包括被配置成检测所述第一转子环和所述第二转子环的转动频率的至少一个传感器，其中，所述计算机***被配置成致使所述电子开关至少部分地基于所述第一转子环和所述第二转子环的转动位置切换所述定子线圈的接线或相构型。
10.根据权利要求9所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述计算机***被配置成：随着对所述马达/发电机/传动***的功率的需求增加或减少，致使所述电子开关以连续地增加或减小安培匝数容量的顺序切换所述定子线圈的接线或相构型，从而增加或减小所述定子线圈的磁场的对应强度。
11.根据权利要求1所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述计算机***被配置成致使所述至少一个转子线性致动器将所述第一转子环和所述第二转子环分别设置在位于所述定子环的中心平面的两侧上的第一位置，在所述第一位置处从所述定子环的外表面到每个转子环的内表面的距离近似为所述转子环在所述轴向方向上的长度，所述转子的磁场与所述定子的磁场的相互作用是可忽略的，
其中，所述计算机***被进一步配置成致使所述至少一个转子线性致动器将所述第一转子环和所述第二转子环分别设置在位于所述定子环的两端上的第二位置，在所述第二位置处所述第一转子环和所述第二转子环的内表面与所述定子环的相应外表面共面，
其中，所述计算机***被进一步配置成致使所述至少一个转子线性致动器将所述第一转子环和所述第二转子环设置在第三位置，在所述第三位置处所述第一转子环和所述第二转子环的内表面与所述定子的中心平面共面，以及
其中，所述计算机***被进一步配置成致使所述至少一个转子线性致动器将所述第一转子环和所述第二转子环设置在除了所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置以外的一个或多个位置。
12.根据权利要求11所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述计算机***被配置成根据所述定子线圈中的安培匝数将所述第一转子和所述第二转子定位在所述第一位置、所述第二位置或所述第三位置或者在所述第一位置与所述第三位置之间的任何位置。
13.根据权利要求1所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述计算机***被配置成致使所述控制器增加或减小供应到所述定子线圈的电力的电压，从而增加或减小所述定子线圈中的电流以及所述定子线圈中的磁场的强度，当在所述定子线圈中达到预定上限或下限阈值电流时，所述计算机***被配置成致使所述控制器停止电力到所述定子线圈的流动并且被配置成通过重构所述定子线圈的接线来切换到更高或更低的挡位，所述计算机***被配置成随后恢复电力到所述定子线圈的流动并且将所述电压重新设定到如下值，在所述电压的所述值下，每个定子线圈中的安培匝数等于或几乎等于在换挡到所述更高或更低的挡位之前每个定子线圈中的安培匝数。
14.根据权利要求1所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述定子环被配置成在所述定子环中可用的线圈空间中的一半线圈空间中具有第一组定子线圈，绕着所述定子环交替地间隔开，所述第一组定子线圈由所述控制器伺服，所述定子环被配置成在所述定子环中的所述线圈空间中的其余一半线圈空间中具有第二组定子线圈，所述第二组定子线圈由第二控制器伺服，所述计算机处理器被配置成彼此独立地控制所述第一控制器和所述第一组定子线圈与所述第二控制器和所述第二组定子线圈。
15.根据权利要求1所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述壳体被配置成与至少一个额外的马达/发电机/传动单元连结，使得所述轴通过花键连接与所述至少一个额外的马达/发电机/传动单元的轴配合，所述计算机***通信地联接到所述至少一个额外的马达/发电机/传动单元并且被配置成控制所述至少一个额外的马达/发电机/传动单元的部件，所述计算机***被配置成将所述马达/发电机/传动***或所述至少一个额外的马达/发电机/传动单元中的一个选择性地设置到空挡状态中，同时将所述马达/发电机/传动***或所述至少一个额外的马达/发电机/传动单元中的另一个设置到激活状态。
16.一种马达/发电机/传动***，包括：
具有第一端板和第二端板的壳体，所述第一端板平行于所述第二端板并且与所述第二端板间隔开；
轴，所述轴具有在所述第一端板与所述第二端板之间纵向延伸的转动轴线，所述轴被可转动地联接到所述第一端板和所述第二端板；
定子支撑结构，所述定子支撑结构沿着所述轴在所述第一端板与所述第二端板之间纵向延伸，所述定子支撑结构联接到所述第一端板和所述第二端板，所述定子支撑结构具有与所述轴的转动轴线重合的中心轴线；
定子环，所述定子环具有与所述定子支撑结构的中心轴线重合的中心轴线，所述定子环联接到所述定子支撑结构，所述定子环具有绕着所述定子环的周边布置的多个定子线圈，其中，所述多个定子线圈的每个相包括相应一组多条平行非绞合导线，所述多条平行非绞合导线在中间抽头处用电子开关分开，所述电子开关用于将所述定子线圈的每个相的平行非绞合导线全部串联连接、全部并联连接或者以串联和并联的组合连接；
联接到所述轴的转子支撑结构，所述转子支撑结构沿着所述轴纵向延伸并且具有与所述轴的转动轴线重合的中心轴线；
第一转子环和第二转子环，所述第一转子环和所述第二转子环各自具有与所述轴的转动轴线重合的转动轴线，所述第一转子环或所述第二转子环中的至少一个被可滑动地联接到所述转子支撑结构，并且被配置成沿着所述转子支撑结构在第一轴向方向上或者在第二轴向方向上平移，所述第一转子环和所述第二转子环中的每个具有绕着所述转子环的周边布置的多个永磁体；
至少一个转子线性致动器，所述至少一个转子线性致动器被配置成在所述第一轴向方向上或者在所述第二轴向方向上致动所述第一转子环或所述第二转子环中的至少一个；
控制器，所述控制器被配置成控制供应到所述定子线圈的电力的电压、电流和频率；以及
计算机***，所述计算机***与所述控制器、所述至少一个转子线性致动器和所述电子开关通信，所述计算机***被配置成控制所述控制器、所述电子开关和所述至少一个线性转子致动器。
17.根据权利要求16所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述计算机***被配置成致使所述电子开关将所述多条平行非绞合导线全部串联连接、全部并联连接或者以串联和并联的组合连接。
18.根据权利要求16所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述多条平行非绞合导线的电子开关包括被配置成将每个相中的所述一组多条平行非绞合导线中的一条或多条导线断开的一个或多个电子开关。
19.根据权利要求18所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述计算机***被配置成致使所述电子开关将所述多条平行非绞合导线中的一部分导线全部串联连接、全部并联连接或者以串联和并联的组合连接，并且被配置成致使所述电子开关将所述多条平行非绞合导线中的所述一部分导线中的一条或多条导线断开。
20.根据权利要求18所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述多条平行非绞合导线的电子开关包括被配置成当从最后的串联/并联构型改变到全部并联构型时将每个相中的所述一组多条平行非绞合导线中的一条或多条导线断开的一个或多个电子开关，并且所述计算机***被配置成致使所述控制器在被断开导线上施加脉冲宽度调制，从而赋予一定百分比的所述被断开导线局部接合。
21.根据权利要求16所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述多条平行非绞合导线的相接线呈星形(Y)构型或Δ构型，所述电子开关包括被配置成使所述相接线在所述星形(Y)构型和所述Δ构型之间切换的一个或多个电子开关。
22.根据权利要求21所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述计算机***被配置成致使所述电子开关使所述相接线在所述星形(Y)构型和所述Δ构型之间切换，并且被配置成将所述多条平行非绞合导线全部串联连接、全部并联连接或以串联和并联的组合连接。
23.根据权利要求21所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述计算机***被配置成致使所述电子开关使所述相接线在所述星形(Y)构型和所述Δ构型之间切换，被配置成致使所述电子开关将所述多条平行非绞合导线中的一部分导线全部串联连接、全部并联连接或者以串联和并联的组合连接，并且被配置成致使所述电子开关将所述多条平行非绞合导线中的所述一部分导线中的一条或多条导线断开。
24.根据权利要求16所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述马达/发电机/传动***还包括被配置成检测所述第一转子环和所述第二转子环的转动频率的至少一个传感器，其中，所述计算机***被配置成致使所述电子开关至少部分地基于所述第一转子环和所述第二转子环的转动位置切换所述定子线圈的接线或相构型。
25.根据权利要求24所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述计算机***被配置成：随着对所述马达/发电机/传动***的功率的需求增加或减少，致使所述电子开关以连续地增加或减小安培匝数容量的顺序切换所述定子线圈的接线或相构型，从而增加或减小所述定子线圈的磁场的对应强度。
26.根据权利要求16所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述计算机***被配置成致使所述至少一个转子线性致动器将所述第一转子环和所述第二转子环分别设置在位于所述定子环的中心平面的两侧上的第一位置，在所述第一位置处从所述定子环的外表面到每个转子环的内表面的距离近似为所述转子环在所述轴向方向上的长度，所述转子的磁场与所述定子的磁场的相互作用是可忽略的，
其中，所述计算机***被进一步配置成致使所述至少一个转子线性致动器将所述第一转子环和所述第二转子环分别设置在位于所述定子环的两端上的第二位置，在所述第二位置处所述第一转子环和所述第二转子环的内表面与所述定子环的相应外表面共面，
其中，所述计算机***被进一步配置成致使所述至少一个转子线性致动器将所述第一转子环和所述第二转子环设置在第三位置，在所述第三位置处所述第一转子环和所述第二转子环的内表面与所述定子的中心平面共面，以及
其中，所述计算机***被进一步配置成致使所述至少一个转子线性致动器将所述第一转子环和所述第二转子环设置在除了所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置以外的一个或多个位置。
27.根据权利要求26所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述计算机***被配置成根据所述定子线圈中的安培匝数将所述第一转子和所述第二转子定位在所述第一位置、所述第二位置或所述第三位置或者在所述第一位置与所述第三位置之间的任何位置。
28.根据权利要求16所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述计算机***被配置成致使所述控制器增加或减小供应到所述定子线圈的电力的电压，从而增加或减小所述定子线圈中的电流以及所述定子线圈中的磁场的强度，当在所述定子线圈中达到预定上限或下限阈值电流时，所述计算机***被配置成致使所述控制器停止电力到所述定子线圈的流动并且被配置成通过重构所述定子线圈的接线来切换到更高或更低的挡位，所述计算机***被配置成随后恢复电力到所述定子线圈的流动并且将所述电压重新设定到如下值，在所述电压的所述值下，每个定子线圈中的安培匝数等于或几乎等于在切换到所述更高或更低的挡位之前每个定子线圈中的安培匝数。
29.根据权利要求16所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述定子环被配置成在所述定子环中可用的线圈空间中的一半线圈空间中具有第一组定子线圈，绕着所述定子环交替地间隔开，所述第一组定子线圈由所述控制器伺服，所述定子环被配置成在所述定子环中的所述线圈空间中的其余一半线圈空间中具有第二组定子线圈，所述第二组定子线圈由第二控制器伺服，所述计算机处理器被配置成彼此独立地控制所述第一控制器和所述第一组定子线圈与所述第二控制器和所述第二组定子线圈。
30.根据权利要求16所述的马达/发电机/传动***，其特征在于，所述壳体被配置成与至少一个额外的马达/发电机/传动单元连结，使得所述轴通过花键连接与所述至少一个额外的马达/发电机/传动单元的轴配合，所述计算机***通信地联接到所述至少一个额外的马达/发电机/传动单元并且被配置成控制所述至少一个额外的马达/发电机/传动单元的部件，所述计算机***被配置成将所述马达/发电机/传动***或所述至少一个额外的马达/发电机/传动单元中的一个选择性地设置到空挡状态中，同时将所述马达/发电机/传动***或所述至少一个额外的马达/发电机/传动单元中的另一个设置到激活状态。
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