相關(guān)申請(qǐng)之參照

此申請(qǐng)是基于2014年6月19號(hào)提出申請(qǐng)的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)案no.62/014,114、申請(qǐng)案名“無(wú)電刷純直流電機(jī)、發(fā)電機(jī)和直流切換器”之優(yōu)先權(quán)利，其全部?jī)?nèi)容以引用的方式并入本申請(qǐng)。

本發(fā)明涉及電機(jī)、發(fā)電機(jī)和切換器系統(tǒng)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

直流電機(jī)是在19世紀(jì)初期所發(fā)明，而交流電機(jī)則是在50年后(19世紀(jì)晚期)才被發(fā)明。此后這兩種電機(jī)裝置技術(shù)高度發(fā)展，并被廣泛應(yīng)用于多種不同的機(jī)械動(dòng)力領(lǐng)域。

基礎(chǔ)電磁學(xué)原理與電機(jī)設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)介

根據(jù)安培定律，電流可以產(chǎn)生磁場(chǎng)。通過(guò)安培定律所產(chǎn)生的磁場(chǎng)可用于制造例如電磁鐵和電機(jī)等磁力設(shè)備。法拉第電磁感應(yīng)定律是另一個(gè)對(duì)于電機(jī)具有重大意義的科學(xué)定律，該定律奠定了現(xiàn)今世界絕大部分的發(fā)電和輸電分配系統(tǒng)的基礎(chǔ)概念。該定律描述隨時(shí)間變化強(qiáng)度的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)。法拉第電磁感應(yīng)定律所產(chǎn)生的電場(chǎng)還可以產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并由此產(chǎn)生電流。該原理被廣泛應(yīng)用于例如變壓器與發(fā)電機(jī)的電流設(shè)備的制造。

電機(jī)通常由固定的“定子”和運(yùn)轉(zhuǎn)的“轉(zhuǎn)子”而組成。其他的部件比如切換器，也經(jīng)常被用于(特別是在直流電機(jī)中)通過(guò)改變轉(zhuǎn)子間的電流和外部電源的電流方向來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)。轉(zhuǎn)子一般可轉(zhuǎn)動(dòng)的軸并可通過(guò)不同的方式組成，例如，永磁轉(zhuǎn)子、繞線(xiàn)同步轉(zhuǎn)子、鼠籠式轉(zhuǎn)子、和利用磁阻概念的磁阻轉(zhuǎn)子，以及步進(jìn)電機(jī)等。定子作為永磁類(lèi)型為大家所熟知，一般由定子體和多個(gè)線(xiàn)圈繞組組成。這些定子繞組線(xiàn)圈不完全但通常以放射狀的形態(tài)圍繞著定子的主結(jié)構(gòu)，而轉(zhuǎn)子不完全但通常是在定子組結(jié)構(gòu)的中心。

對(duì)于交流感應(yīng)電機(jī)，比如三相交流電機(jī)，交流電源提供的時(shí)間切換的正弦波電流可自然地切換不同電機(jī)定子線(xiàn)圈中的電流方向，通常為每秒多次切換。由此切換而產(chǎn)生在定子繞組上的脈振磁場(chǎng)，結(jié)合交流電的不同相位間的相位差，由此產(chǎn)生交流電機(jī)定子上的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。事實(shí)上，三相式交流電流正弦波的變化產(chǎn)生了自然的自換向過(guò)程。而電機(jī)的轉(zhuǎn)速正是交流電的頻率所決定的。

許多應(yīng)用要求精確控制交流和直流電機(jī)的速度。對(duì)于某些應(yīng)用，雖然各類(lèi)齒輪組合的變化可以用來(lái)調(diào)節(jié)速度，但更常用和重要的是需要調(diào)節(jié)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，這并不是很容易。為了控制交流電機(jī)的速度，首先需要改變交流電的供電頻率，而最常使用的方法是利用變頻器(vfd)。變頻器可將直流電轉(zhuǎn)換成所需要的交流電。不像機(jī)械旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)提供的可變頻率是純正的正弦波，vfd利用調(diào)節(jié)鋸齒般脈沖寬度來(lái)模擬正弦波。但是，變頻器產(chǎn)生的間斷鋸齒型的交流電會(huì)造成總諧波失真(thd)，由此而影響交流電機(jī)或其他類(lèi)似裝置的效率。

舉例而言，典型的電壓頻率轉(zhuǎn)換器(vfc)在2千赫茲至1萬(wàn)5千赫茲切換頻率模擬正弦波驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)，在高頻時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的切換損失和集膚效應(yīng)。這種情況導(dǎo)致無(wú)法充分利用能量并產(chǎn)生不必要的熱量。這限制了電壓頻率轉(zhuǎn)換器(vfc)和脈寬調(diào)制器(pwm)的最高切換頻率，也限制了交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。但變頻器(vfd)仍以能精密的控制交流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度而得到廣泛應(yīng)用，并逐漸取代傳統(tǒng)直流電機(jī)。

當(dāng)正弦波電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，交流電誘發(fā)的反電動(dòng)勢(shì)會(huì)自然的受到壓制。但由于交流電所產(chǎn)生的磁場(chǎng)持續(xù)變化，使得交流電機(jī)中的磁場(chǎng)不能總是停留在最高點(diǎn)，這對(duì)交流電機(jī)能發(fā)揮的最大扭矩有所局限。

另外，相對(duì)于直流電機(jī)，交流電機(jī)磁場(chǎng)連續(xù)變化導(dǎo)致的電感電阻阻礙最高電壓下的電流流動(dòng)，也限制了交流電繞組的磁場(chǎng)強(qiáng)度，尤其在高轉(zhuǎn)速情況下。再者，交流電的集膚效應(yīng)也阻礙了高頻率下的電流流動(dòng)，由此而限制了電機(jī)性能。另一個(gè)問(wèn)題是交流電總諧波失真會(huì)加熱定子，耗費(fèi)能量更會(huì)降低電機(jī)的功率密度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

此發(fā)明包括：直流電機(jī)系統(tǒng)，其一種直流電機(jī)系統(tǒng)，其包括：定子，其具有包括至少三個(gè)線(xiàn)圈并可形成定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的封閉式繞組；該定子磁耦合一轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的感應(yīng)下能夠旋轉(zhuǎn)；耦合至所述定子的切換器，其通過(guò)時(shí)間切換次序來(lái)控制定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；其中所述定子和所述至少三個(gè)線(xiàn)圈的配置使得時(shí)間切換次序上的所述至少三個(gè)線(xiàn)圈中的第一個(gè)線(xiàn)圈在感應(yīng)放電換向步驟時(shí)從放電的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中釋放的能量被在接下來(lái)的充電換向步驟中充電的第二個(gè)線(xiàn)圈捕捉。

此發(fā)明同時(shí)包括：交流電機(jī)系統(tǒng)，其包括：包含至少三個(gè)線(xiàn)圈并可形成定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的定子；該定子磁耦合至一轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的感應(yīng)下能夠旋轉(zhuǎn)；變頻器與定子連接并控制定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其中定子和至少三個(gè)線(xiàn)圈的組合配置使得在切換過(guò)程中所述至少三個(gè)線(xiàn)圈中的第一個(gè)線(xiàn)圈在感應(yīng)放電的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)釋放出來(lái)的能量被轉(zhuǎn)移到在時(shí)間切換次序中等待被充電的第二個(gè)線(xiàn)圈。

此發(fā)明展示的在直流電機(jī)系統(tǒng)中產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方法包括：從封閉式定子繞組產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該定子包括至少三個(gè)磁耦合至轉(zhuǎn)子的線(xiàn)圈，該轉(zhuǎn)子在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的感應(yīng)下可旋轉(zhuǎn)；切換器與定子連接，從而通過(guò)時(shí)間切換次序控制定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；其中定子和至少三個(gè)線(xiàn)圈的組合配置使得在直流切換過(guò)程中所述三個(gè)線(xiàn)圈中的第一個(gè)線(xiàn)圈在感應(yīng)放電的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)釋放出來(lái)的能量被轉(zhuǎn)移到在時(shí)間切換次序中等待被充電的第二個(gè)線(xiàn)圈上。

附圖說(shuō)明

圖1a為電機(jī)組件100的透視圖。

圖1b為電機(jī)組件100與換向器的軸向示意圖。

圖1c是四線(xiàn)槽定子110的立體透視圖，包括與定子內(nèi)表面平行的磁極鐵芯。

圖1d為圖1c所示的四線(xiàn)槽電機(jī)定子100的主視圖，及定子110內(nèi)互動(dòng)的簡(jiǎn)單的兩極永磁轉(zhuǎn)子120。

圖2a為圖1c所示的四線(xiàn)槽電機(jī)定子110的四個(gè)獨(dú)立的線(xiàn)圈的示意圖。

圖2b為圖1a所示的四線(xiàn)槽電機(jī)定子110的封閉式定子繞組的示意圖。

圖3a-3d為圖2b所示的四線(xiàn)槽電機(jī)定子110的四個(gè)單獨(dú)的線(xiàn)圈的示意圖。

圖3e-3j為系列定子110的繞線(xiàn)圖及相應(yīng)的側(cè)視圖(圖3e和3f；3g和3h；以及3i和3j相對(duì)應(yīng))，包括時(shí)間切換次序中不同步驟的定子電流與磁場(chǎng)方向。

圖4為四相封閉式定子繞組的16步時(shí)間切換次序，每個(gè)時(shí)間切換次序推進(jìn)定子磁場(chǎng)22.5°，由此產(chǎn)生360°的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

圖5a-5p為圖4按16步時(shí)間切換次序所示的四相封閉式繞組形成的一個(gè)周期的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)順序系列圖。

圖6為與圖4所示的時(shí)間切換次序具有同等效果的另一種可能的切換選擇。

圖7a-7h為四相封閉式繞組的八步時(shí)間切換次序而形成的一個(gè)周期的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)順序系列圖。

圖7i為八步時(shí)間切換次序而形成的一個(gè)周期的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)各相電勢(shì)圖。

圖8顯示定子110與電子開(kāi)關(guān)半橋切換器400聯(lián)接圖(開(kāi)關(guān)切換器)。

圖9a為另一可替代的機(jī)械旋轉(zhuǎn)式切換器400運(yùn)轉(zhuǎn)圖，圖9b顯示了此機(jī)械式旋轉(zhuǎn)切換器的分解圖。

圖9c顯示圖9a和9b的機(jī)械旋轉(zhuǎn)式切換器的電子電路圖釋。

圖10a顯示時(shí)間切換次序其中的一步，電流和磁場(chǎng)在切換階段的定子繞組圖釋。

圖10b為圖10a繞組圖釋的另一種表述方式。

圖10c為定子110主視圖，用以解說(shuō)某時(shí)刻切換程序的定子磁極指向相互對(duì)應(yīng)線(xiàn)槽的幾何性位置。

圖10d為切換器400轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)相對(duì)應(yīng)的設(shè)置。

圖11a為三相封閉式定子繞組的圖釋。

圖11b為轉(zhuǎn)動(dòng)的12步時(shí)間切換次序機(jī)電原理圖。

圖11c顯示三相封閉式定子繞組的12步時(shí)間切換次序。

圖12a-12l為圖11a-11c所示的三相封閉式定子繞組在12步時(shí)間切換次序所形成的電流和定子磁場(chǎng)相對(duì)于定子線(xiàn)槽的幾何位置。

圖13a-13f為電流和定子磁場(chǎng)方向的三槽定子主視圖。

圖13a-13f為三槽定子繞組的繞線(xiàn)示意圖及其側(cè)視圖(搭配圖示為13a和13b；13c和13d；以及13e和13f)以顯示不同時(shí)刻時(shí)間切換次序的電流和定子磁場(chǎng)方向。

圖14為三槽定子在12步時(shí)間切換次序而形成一個(gè)周期磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的各相電勢(shì)圖。

圖15a為三槽定子的6步時(shí)間切換次序，圖15b為三槽定子的6步時(shí)間切換次序上的一個(gè)周期磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的各相電勢(shì)圖。

圖16為五相封閉式定子繞組的20步時(shí)間切換次序?qū)嵤├?/p>

圖17為三相四極封閉式定子繞組線(xiàn)路圖，在此p＝3，n＝1，r＝2，ands＝6。

圖18為三相六極封閉式定子繞組線(xiàn)路圖，在此p＝3，n＝4，r＝3ands＝36。

圖19為三相十六極封閉式定子繞組線(xiàn)路圖，在此p＝3，n＝2，r＝8ands＝48。

圖20為四相兩級(jí)封閉式定子繞組線(xiàn)路圖，在此p＝4，n＝2，r＝1ands＝8。

圖21為四相六極封閉式定子繞組，在此p＝4，n＝3，r＝3ands＝36。

圖22為五相兩極封閉式定子繞組，在此p＝5，n＝1，r＝1ands＝5。

圖23為六相兩極封閉式定子繞組，在此p＝6，n＝1，r＝1ands＝6。

圖24a-24b為六相兩極封閉式定子繞組，在此p＝6，n＝2，r＝1ands＝12；圖24a為感應(yīng)放電步驟，圖24b為充電步驟。

圖25為八相兩極封閉式定子繞組p＝8,n＝1,r＝1和s＝8。

圖26為十相兩極封閉式定子繞組，p＝10,n＝1,r＝1和s＝10。

圖27為十二相兩極封極閉式定子繞組，p＝12,n＝1,r＝1和s＝12。

圖28a為三相交流電流在人工預(yù)設(shè)的12個(gè)電勢(shì)點(diǎn)，此電勢(shì)點(diǎn)與圖28b所示的時(shí)間切換次序相對(duì)應(yīng)。

圖29為交流電機(jī)組件2900的透視圖。

具體實(shí)施方式

與交流電機(jī)相比，直流電機(jī)沒(méi)有“自然切換器”。為運(yùn)行直流電機(jī)，必須使用不同類(lèi)型的切換器將直流電切換到電機(jī)中不同的線(xiàn)圈。有些直流電機(jī)的設(shè)計(jì)中，定子可采用永磁體或者非開(kāi)關(guān)電磁(如勵(lì)磁線(xiàn)圈)，相應(yīng)地轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)可通過(guò)時(shí)間設(shè)置功能進(jìn)行改變，通常是通過(guò)切換不同轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈繞組上的電流方向。

在某些不同的直流電機(jī)設(shè)計(jì)中，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可由直流定子產(chǎn)生。電機(jī)定子通常由各種線(xiàn)圈組成(每個(gè)線(xiàn)圈由多個(gè)繞絲組成)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以通過(guò)有順序地切換定子繞組線(xiàn)圈的電流方向來(lái)產(chǎn)生。此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)通過(guò)磁場(chǎng)或磁阻引導(dǎo)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

另一些直流電機(jī)比如步進(jìn)電機(jī)和磁阻電機(jī)，繞組線(xiàn)圈是由單獨(dú)的半橋電路來(lái)驅(qū)動(dòng)的(繞組終端可連接到直流電源的正極或者負(fù)極)。當(dāng)一個(gè)特定的繞組線(xiàn)圈被充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，同時(shí)能量也被儲(chǔ)存在磁場(chǎng)中。

具體而言，電流通過(guò)繞組導(dǎo)線(xiàn)(如導(dǎo)電線(xiàn)圈)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。能量會(huì)儲(chǔ)存在磁場(chǎng)中，就像旋轉(zhuǎn)飛輪存儲(chǔ)動(dòng)能。當(dāng)電流被移除會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(emf)，存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量以電流的形式會(huì)在某個(gè)電壓(電位)釋放出來(lái)。根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(emf)感應(yīng)的電流會(huì)抵抗原有磁場(chǎng)的改變。因此，感應(yīng)電流會(huì)與原來(lái)的磁場(chǎng)電流方向一致。

此類(lèi)直流電機(jī)的問(wèn)題在于，在切換過(guò)程中，一旦從已充電電繞組線(xiàn)圈上移除電源，該繞組的磁場(chǎng)立刻感應(yīng)放電，存儲(chǔ)在繞組的磁場(chǎng)能量(自感應(yīng)電動(dòng)勢(shì))會(huì)被同時(shí)釋放。那么它去哪里了呢？對(duì)于交流電發(fā)電機(jī)，正弦電流自然地抑制自感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。然而對(duì)于直流電機(jī)而言，繞組線(xiàn)圈的自感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的電能以自感應(yīng)電流的方式釋放到某處?；诂F(xiàn)有技術(shù)，此自感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電流一般返回到直流電源或者被消耗在負(fù)荷電阻中。這對(duì)于小功率直流電機(jī)不是問(wèn)題，對(duì)高功率電機(jī)，自感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的量級(jí)是非常高的，并且難以控制。這是現(xiàn)有技術(shù)的直流電機(jī)只可以處理低功率(例如：最多至幾百瓦或千瓦)主要原因；依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，直流磁阻電機(jī)至多可以處理幾千瓦的功率。

同時(shí)，直流電機(jī)特別是直流式電刷電機(jī)，在某些應(yīng)用有著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。例如，直流式電刷電機(jī)可以被設(shè)計(jì)為定子磁場(chǎng)線(xiàn)圈和轉(zhuǎn)子切換繞組。非常大的啟動(dòng)電流可以產(chǎn)生巨大的啟動(dòng)扭矩。此直流電機(jī)通常被用于需要高啟動(dòng)扭矩的情況，例如軌道車(chē)、城市有軌電車(chē)和地鐵系統(tǒng)的牽引電機(jī)。

然而，直流式電刷電機(jī)的問(wèn)題之一是電刷本身。電刷產(chǎn)生摩擦并且接觸電阻熱損耗，加之轉(zhuǎn)子繞組也存在電阻損耗。這些影響產(chǎn)生大量的熱而困在體積相對(duì)電機(jī)較小的轉(zhuǎn)子上，移除轉(zhuǎn)子的熱量非常困難，因此，直流電刷電機(jī)通常是開(kāi)放式設(shè)計(jì)，以便于散熱或者被強(qiáng)制通風(fēng)。由于為轉(zhuǎn)子提供電流的電刷磨損較快，大型直流式電刷電機(jī)通常需要精心維護(hù)，轉(zhuǎn)子及切換器必須經(jīng)常更換或返工維修。

本文公開(kāi)披露的細(xì)節(jié)描述了一種改進(jìn)的電機(jī)，此電機(jī)可由多相交流或者切換的直流驅(qū)動(dòng)。正如其名，交流電意味著自然切換，不需要切換器并且正弦交流電自然的抑制自感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。此披露會(huì)詳細(xì)解釋電機(jī)直流切換過(guò)程。改進(jìn)的電機(jī)至少由一個(gè)定子和切換系統(tǒng)來(lái)運(yùn)作直流電。另外一種選擇也有表述，比如使用多轉(zhuǎn)子定子的萬(wàn)用電機(jī)。此披露描述的系統(tǒng)至少使用一種直流電源的電流(也就是說(shuō)直流電電源，直流電能源、直流電電流源)。具體來(lái)說(shuō)，此披露中描述的直流電機(jī)有封閉式的重疊定子繞組，它可通過(guò)時(shí)間切換次序產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。各相繞組重疊與時(shí)間切換次序配合，使每一個(gè)定子線(xiàn)槽內(nèi)的電流互相疊加，而且，當(dāng)部分磁場(chǎng)根據(jù)時(shí)間切換次序放電時(shí)，此部分放電磁場(chǎng)所釋放的能量被捕捉來(lái)加強(qiáng)下一個(gè)在時(shí)間切換次序步驟上需要充電的磁場(chǎng)。由放電磁場(chǎng)產(chǎn)生的電流流入封閉式繞組內(nèi)低電勢(shì)端，增加或者減少切換器的電流，從而推進(jìn)時(shí)間切換次序上下一個(gè)磁場(chǎng)的產(chǎn)生。當(dāng)配合合適的切換器和轉(zhuǎn)子使用時(shí)，改進(jìn)的電機(jī)可提供真正無(wú)刷的，高扭矩、可控速的、高效和高功率密度的直流電機(jī)。

圖1a為直流電機(jī)總成100的透視細(xì)節(jié)圖。除定子110以外，此電機(jī)還包括轉(zhuǎn)子120，和與切換器400(例如：開(kāi)關(guān)切換器)連接的繞組112。有南北極的簡(jiǎn)易永磁轉(zhuǎn)子120可在感應(yīng)線(xiàn)圈繞組112產(chǎn)生的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下在定子110中旋轉(zhuǎn)。繞組112在此披露中被分為兩種不同的類(lèi)型：(i)封閉式繞組(ii)開(kāi)放式繞組。在封閉式繞組，繞組在定子上形成閉合電路。沿繞組的起始點(diǎn)在經(jīng)過(guò)部分或者全部的回路后能再次回到起始點(diǎn)。相接點(diǎn)把不同的繞組112連接在一起，因此，繞組的電流被分成不同的平行流道。流入繞組的電流不停變化。相比之下，開(kāi)放式繞組接法，比如星形接法連接的交流電機(jī)，則無(wú)需使用切換器。在這種情況下，每一個(gè)繞組的末端被引出到外部的終端以做出不同的連接。開(kāi)放式繞組比封閉式繞組更受歡迎，原因是開(kāi)放式繞組在設(shè)計(jì)和連接上有更好的靈活性。在此披露中，為了對(duì)定子封閉式繞組更加清楚和簡(jiǎn)潔的理解，在其他圖表展示中沒(méi)有對(duì)轉(zhuǎn)子(如：120)的描述。然而，所有在此描述的定子都應(yīng)當(dāng)有一個(gè)與之相應(yīng)的轉(zhuǎn)子，以構(gòu)成電機(jī)整體。同時(shí)，盡管在圖標(biāo)1a-1d電機(jī)總成100中，僅展示四線(xiàn)槽的定子及封閉式繞組，應(yīng)該理解在定子線(xiàn)槽的數(shù)量范圍可以從至少三個(gè)到多于一百個(gè)，因?yàn)閷?shí)際上定子中的線(xiàn)槽數(shù)并沒(méi)有規(guī)定的固定上限。需要注意的是，本披露中列舉的價(jià)值范圍僅僅用來(lái)服務(wù)于一個(gè)速記方法中單獨(dú)地指每一個(gè)的屬于這個(gè)范圍的分值，除非在此另做陳述，然后每一個(gè)分值將會(huì)合并成為一個(gè)類(lèi)似于每一個(gè)單獨(dú)地在此列舉的規(guī)格。因此，任何給出的數(shù)字范圍應(yīng)當(dāng)包括在此范圍內(nèi)的數(shù)字的整數(shù)和分?jǐn)?shù)。例如，應(yīng)當(dāng)特別地解釋從“1-10”的范圍內(nèi)的數(shù)字包括從1到10的整數(shù)(如，1,2,3，…9)和非整數(shù)的數(shù)字(例如：1.1，1.2,…1.9)。因此，舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)描述四線(xiàn)槽定子的運(yùn)作時(shí)，上述描述將平等地適用于a3，8,16,72或者100以上的線(xiàn)槽定子(舉例)并且那些不同編號(hào)的線(xiàn)槽定子應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為按照在此處描述的辦法和系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行，同時(shí)也屬于本披露的一部分。

當(dāng)電機(jī)在十九世紀(jì)初被發(fā)明時(shí)，用來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行的方法相對(duì)來(lái)說(shuō)僅限于實(shí)際和靈活性不太完美的機(jī)械設(shè)備。由于現(xiàn)代固態(tài)電子技術(shù)的快速發(fā)展，類(lèi)似于電機(jī)總成100這樣的電機(jī)性能可以進(jìn)一步提高。因?yàn)檫@種封閉式電子繞組的線(xiàn)圈是相互連接的，如上面所述的“封閉式”的含義是從此繞組的任何一點(diǎn)，都可以沿著繞組追蹤到同一點(diǎn)。無(wú)論該電流是否來(lái)自于外部電源或者放電繞組的自感應(yīng)電流，電流自然地會(huì)經(jīng)過(guò)最小的阻抗從高電勢(shì)流到低電勢(shì)，而相互連接的繞組可以提供最小的阻抗回路。因此，封閉式繞組定子可以直流切換，而不會(huì)受到繞線(xiàn)上自感應(yīng)高電勢(shì)/電壓的困擾。同時(shí)，當(dāng)封閉式繞組恰當(dāng)?shù)厍袚Q時(shí)，自感應(yīng)的電流促進(jìn)定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)和/或推進(jìn)時(shí)間切換次序上下一個(gè)磁場(chǎng)的產(chǎn)生。本文具體特性中所描述的繞組因此可以有效的捕捉到放電磁場(chǎng)產(chǎn)生的能量。

圖1b為外部帶有切換器400的組件電機(jī)100的軸向圖。相較于傳統(tǒng)的電刷直流電機(jī)，圖1b中展示了使用外掛式切換器系統(tǒng)可以避免電機(jī)機(jī)身內(nèi)部電刷的維護(hù)問(wèn)題。(在其它的演示方法中切換器也可能被置于電動(dòng)機(jī)100的內(nèi)部)。切換器400是類(lèi)似于交流電機(jī)變頻器(vfd)的電子裝置，由微處理器、感應(yīng)器、開(kāi)關(guān)、輸入/輸出接口，及控制軟件組成，以控制電機(jī)100的切換。時(shí)間控制程序可以通過(guò)安裝于電機(jī)100內(nèi)部與轉(zhuǎn)子耦合的機(jī)械或電子位置傳感器以閉路式的反饋產(chǎn)生，比如第一步時(shí)間切換次序指令執(zhí)行后，轉(zhuǎn)子120被誘導(dǎo)到可測(cè)試位置；第二步時(shí)間切換次序被執(zhí)行，轉(zhuǎn)子120被誘導(dǎo)到下一個(gè)可測(cè)試位置。如此以來(lái)，連續(xù)不斷，這種封閉式直流繞線(xiàn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了自切換。這種位置傳感器可以是電磁傳感器，光學(xué)傳感器或是固態(tài)傳感器。

圖1c為三維的四線(xiàn)槽(或相)定子110以及內(nèi)部表面的平行縱向磁極鐵芯透視圖。在磁極鐵芯與磁極鐵芯之間的空間為線(xiàn)槽(例如s1-s4)，繞組線(xiàn)圈由置于線(xiàn)槽中圍繞磁極鐵芯的導(dǎo)線(xiàn)組成，定子體110一般由導(dǎo)磁材料組成，電流流過(guò)線(xiàn)圈繞組112制造的磁場(chǎng)被磁極鐵芯聚集并定型。

圖1d為四線(xiàn)槽電機(jī)體定子110在圖1c中的主視圖，同時(shí)也描述了置于定子內(nèi)部簡(jiǎn)單兩極永磁體的轉(zhuǎn)子120。如前所述，在此披露的每一個(gè)電機(jī)無(wú)論是否顯示，都應(yīng)當(dāng)假定帶有轉(zhuǎn)子。

正如我們所討論的，在此提及的方法和系統(tǒng)可能被用來(lái)生產(chǎn)和運(yùn)行至少由轉(zhuǎn)子120、定子110和切換器400組成的萬(wàn)用電機(jī)100。定子110通常會(huì)包括多個(gè)幾何位置互相限制的定子繞組線(xiàn)圈112。這些定子繞組線(xiàn)圈112通過(guò)切換器400(如開(kāi)關(guān)切換器)與直流電源連接被充電放電?？偟膩?lái)說(shuō)，該定子繞組線(xiàn)圈和時(shí)間切換器程序的配合會(huì)在定子線(xiàn)槽(s1-s4)內(nèi)產(chǎn)生疊加電流以產(chǎn)生定子磁場(chǎng)。此定子磁場(chǎng)隨時(shí)間變化并幾何分離，由此產(chǎn)生多極直流電的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。此時(shí)間切換次序和封閉式繞線(xiàn)方法應(yīng)當(dāng)如此配合，自感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)放電導(dǎo)致的電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)促進(jìn)定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)和/或增強(qiáng)建立下一個(gè)時(shí)間切換次序上的磁場(chǎng)。此時(shí)間切換次序可以用邏輯電路或者微處理器控制，也可以用電機(jī)100內(nèi)部的磁感應(yīng)器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置作為一個(gè)閉合電路反饋來(lái)控制，當(dāng)?shù)谝徊綍r(shí)間切換次序指令執(zhí)行后，轉(zhuǎn)子120被誘導(dǎo)到可測(cè)試位置，第二步時(shí)間切換次序被執(zhí)行，轉(zhuǎn)子120被誘導(dǎo)到下一個(gè)可測(cè)試位置。如此以來(lái)，連續(xù)不斷，實(shí)現(xiàn)自切換。

此披露中涉及的系統(tǒng)和方法可以制造出比現(xiàn)有技術(shù)更有效和持久耐用的改進(jìn)版直流電機(jī)?，F(xiàn)有技術(shù)的電機(jī)不僅效率低下，而且導(dǎo)致在各種電路上增加額外的負(fù)荷。此披露也可更精確的控制直流電機(jī)速度。

在圖1d中所示的轉(zhuǎn)子120可以裝配在電機(jī)100中產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁極。轉(zhuǎn)子120會(huì)被幾何位置束縛接近定子110(通常由不同機(jī)械特性)，從而會(huì)被定子110上封閉式繞組112所產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)誘導(dǎo)，并圍繞轉(zhuǎn)子中心旋轉(zhuǎn)。正如下所討論，定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)引導(dǎo)轉(zhuǎn)子120旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子120可能有各種類(lèi)型，包括鼠籠式，繞線(xiàn)式，永磁式，或者磁阻式轉(zhuǎn)子。在至少一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子120及相應(yīng)磁極可與定子磁極鐵芯互應(yīng)，以使封閉式定子繞組112產(chǎn)生的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)最大化扭矩。需要注意的是，在很多結(jié)構(gòu)中，盡管轉(zhuǎn)子可以經(jīng)常被置于定子的內(nèi)部，然而并非總是如此。在具體設(shè)計(jì)中，電動(dòng)機(jī)100也許可以被設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)子的部分或者甚至于整個(gè)轉(zhuǎn)子，置于定子外側(cè)。轉(zhuǎn)子和定子也可被設(shè)計(jì)為面對(duì)面的橫向磁場(chǎng)電機(jī)。

目前為止所描述，盡管定子110是無(wú)刷定子，但在替代方案中，給封閉式定子繞組提供電源的切換器沒(méi)有必要一定是無(wú)刷，只要根據(jù)時(shí)間切換次序給封閉式定子繞組切換直流電即可。該切換系統(tǒng)可包括機(jī)械開(kāi)關(guān)、旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)、機(jī)械繼電器，固體開(kāi)關(guān)、邏輯器件、h半橋、和/或計(jì)算機(jī)處理器(如：微處理器、微控制器、或其他類(lèi)似的邏輯器件)。

不同類(lèi)型的112繞組繞線(xiàn)方法都可以使用，包括電刷直流電機(jī)電樞繞組方法，例如：疊式繞組、波式繞組、以及環(huán)形繞組法。

圖2a解釋了圖1c所示的電機(jī)定子110的四個(gè)單獨(dú)繞組線(xiàn)圈112及與之相對(duì)應(yīng)的四線(xiàn)槽s1-s4。圖2b圖解根據(jù)慣例將定子110以平面的形式展示，猶如定子110是在線(xiàn)槽與線(xiàn)槽之間縱向切割后平面展開(kāi)。切換端顯示為標(biāo)記成x*(例如：1*2*3*和4*)。

圖3a－3d為圖1a－1b所示的四線(xiàn)槽電機(jī)定子110單獨(dú)的線(xiàn)圈繞組細(xì)節(jié)(繞組線(xiàn)圈#1，繞組線(xiàn)圈#2，繞組線(xiàn)圈#3，和繞組線(xiàn)圈#4)。需要注意的是繞組如何繞開(kāi)線(xiàn)槽的。在圖3a，繞組線(xiàn)圈#1的起始端(在切換端1*上命名為1s)插入定子線(xiàn)槽1(s1)，槽內(nèi)部分繞組標(biāo)記為1f；跨過(guò)線(xiàn)槽2(s2)，然后返回到定子線(xiàn)槽3(s3)(槽內(nèi)部分繞組標(biāo)記為1b)。繞組線(xiàn)圈#1的尾部(標(biāo)記為1t)與繞組線(xiàn)圈#2的起始端共同連接到切換端或相2*(這個(gè)慣例將會(huì)貫穿此披露)。在圖3b，繞組線(xiàn)圈#2的起始端(標(biāo)記為2s)插入定子線(xiàn)槽2，槽內(nèi)部分繞組標(biāo)記為2f；跨過(guò)線(xiàn)槽3，然后返回到定子線(xiàn)槽4(槽內(nèi)部分繞組標(biāo)記為2b)。繞組線(xiàn)圈#2的尾部(標(biāo)記為2t)與下一個(gè)繞組線(xiàn)圈#3的起始端共同連接到切換端或相3*。在圖3c，繞組線(xiàn)圈#3的起始端(標(biāo)記為3s)插入定子線(xiàn)槽3，槽內(nèi)部分繞組標(biāo)記為3f，跨過(guò)線(xiàn)槽4，然后回到定子線(xiàn)槽1(槽內(nèi)部分繞組標(biāo)記為3b)。繞組線(xiàn)圈#3的尾部(標(biāo)記為3t)與下一個(gè)繞組線(xiàn)圈#4的起始端共同連接到切換端或相4*。在圖3d，繞組線(xiàn)圈#4的起始端(標(biāo)記為4s)插入定子線(xiàn)槽4，槽內(nèi)部分繞組標(biāo)記為4f，跨過(guò)線(xiàn)槽1，然后回到定子線(xiàn)槽2(槽內(nèi)部分繞組標(biāo)記為4b)。繞組線(xiàn)圈#4的尾部(標(biāo)記為4t)與下一個(gè)繞組線(xiàn)圈#1的起始端共同連接到切換端或相1*。每一個(gè)(前端)繞組線(xiàn)圈占據(jù)一個(gè)線(xiàn)槽并且此慣例使用將會(huì)貫穿此披露的各種圖表之中。通常，“切換端”，“端”，和“相”的術(shù)語(yǔ)將會(huì)在此互相替代使用。

圖3e－3j為一系列定子110的繞組圖和與之對(duì)應(yīng)的側(cè)視圖(圖3e與3f，圖3g和3h，及圖3i和3j)展示在時(shí)間切換次序上不同步驟的電流和定子磁場(chǎng)方向。圖3e，3h和3j繞組線(xiàn)圈僅以?xún)扇?lái)標(biāo)示槽外線(xiàn)圈繞組的電流方向。繞組線(xiàn)圈背面以虛線(xiàn)表示，正面以實(shí)線(xiàn)表示。圓圈內(nèi)加號(hào)標(biāo)示電流流入線(xiàn)槽，圓圈內(nèi)圓點(diǎn)標(biāo)示為電流流出線(xiàn)槽。圖3e和3f展示繞組線(xiàn)圈#1和繞組線(xiàn)圈#2、繞組線(xiàn)圈#3和繞組線(xiàn)圈#4同時(shí)充電，此時(shí)，繞組線(xiàn)圈#1的尾端被切換到高壓的端2*。在圖3e和3g之間，繞組線(xiàn)圈#1磁場(chǎng)開(kāi)始放電；放電電流通過(guò)繞組線(xiàn)圈#2流至低電勢(shì)端3*，從而強(qiáng)化了繞組線(xiàn)圈#2磁場(chǎng)。放電磁場(chǎng)的能量最終重新導(dǎo)向來(lái)建造或者增強(qiáng)在下一個(gè)時(shí)間切換次序上的磁場(chǎng)，而且，能量被捕捉在封閉式定子繞組的內(nèi)部。同時(shí)，繞組線(xiàn)圈#3的尾端則切換到低壓端4*。從圖3e到3g，繞組線(xiàn)圈#3的磁場(chǎng)開(kāi)始放電；電流從放電磁場(chǎng)持續(xù)通過(guò)繞組線(xiàn)圈#4流至低電勢(shì)端4*，從而強(qiáng)化了繞組線(xiàn)圈#4的通電磁場(chǎng)。放電磁場(chǎng)的能量再次重新導(dǎo)向，來(lái)建造或者增強(qiáng)在下一個(gè)時(shí)間切換次序上的磁場(chǎng)，而且，能量被捕捉在封閉式定子繞組的內(nèi)部。定子磁場(chǎng)有效地在此斷電時(shí)間切換次序步驟前進(jìn)約45度。從圖3g到3i，當(dāng)繞組線(xiàn)圈#1的起始端從高電勢(shì)1*斷開(kāi)，繞組線(xiàn)圈#1開(kāi)始充電且有效地增強(qiáng)定子磁場(chǎng)。與此同時(shí)，當(dāng)繞組線(xiàn)圈#3的起始端從低電勢(shì)#3斷開(kāi)，繞組#3開(kāi)始充電且有效地增強(qiáng)定子的磁場(chǎng)。在此充電的時(shí)間切換次序里，定子磁場(chǎng)有效的推進(jìn)了約45度。一般傳統(tǒng)交流電機(jī)定子重疊繞線(xiàn)或者同心繞線(xiàn)，在繞組線(xiàn)圈尾部的電流(也就是線(xiàn)槽外部)不會(huì)產(chǎn)生定子磁場(chǎng)。所有的在此封閉式繞組中的線(xiàn)圈包括線(xiàn)槽部外部的線(xiàn)圈部分，其實(shí)質(zhì)等同于產(chǎn)生定子磁場(chǎng)，換而言之，繞組線(xiàn)圈的尾部和線(xiàn)槽內(nèi)的線(xiàn)圈都整體為繞組部分。

圖4展示了十六步時(shí)間切換次序如圖1a－3j中描述的四相封閉式定子繞組112，每一步切換步驟前進(jìn)了約22.5度并產(chǎn)生一個(gè)360度旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。圖5a－5p展示十六步時(shí)間切換次序與四段式封閉式繞組112切換產(chǎn)生的全旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在圖5a－5p中繞組112內(nèi)的電流方向用上下箭頭標(biāo)示。注意在每一步切換中，磁場(chǎng)前進(jìn)22.5度產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)磁場(chǎng)。反向時(shí)間切換次序產(chǎn)生反轉(zhuǎn)的定子磁場(chǎng)。圖5a－5p作出了最好的解釋。從圖5a移至到圖5b再到5c，需要注意的是，因?yàn)殡娏魇菑母唠妱?shì)流到低電勢(shì)，它如何從放電的磁場(chǎng)在圖5b放電繞組線(xiàn)圈#1誘導(dǎo)到下一步的充電磁場(chǎng)#3(圖5c)。在圖5c所示的例子中，相2*是連接在一個(gè)直流電電源正極上；繞組線(xiàn)圈#1的兩端置于大致相同的高電勢(shì)上；繞組線(xiàn)圈#1產(chǎn)生的磁場(chǎng)開(kāi)始放電；由放電磁場(chǎng)產(chǎn)生的繞組線(xiàn)圈#1的電流將會(huì)持續(xù)地流至封閉式繞組的低電勢(shì)，也就是相3*；而繞組線(xiàn)圈#2為前述的電流提供路徑至磁場(chǎng)完全放電。從繞組線(xiàn)圈#1上的放電電流產(chǎn)生的凈效應(yīng)有效地將在此時(shí)間切換次序步驟上的磁場(chǎng)推進(jìn)了約22.5度，并且放電電流推進(jìn)和幫助構(gòu)建下一個(gè)時(shí)間切換次序上即將形成的磁場(chǎng)。這里封閉式繞組線(xiàn)圈沒(méi)有形成由放電磁場(chǎng)引出的高壓電。圖5a－5p都是用來(lái)解釋充電和放電的步驟。充電步驟是在封閉式繞組上至少一個(gè)繞組線(xiàn)圈充電來(lái)推進(jìn)定子磁場(chǎng)，感應(yīng)放電步驟是在封閉式繞組上至少一個(gè)繞組線(xiàn)圈的兩端都與相同的電勢(shì)連接并且通過(guò)放電來(lái)推進(jìn)定子磁場(chǎng)。磁場(chǎng)的放電誘導(dǎo)電流按照以前的電流方向流動(dòng)直至全部放電。該感應(yīng)電流和從直流電源的電流共同導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的推進(jìn)。時(shí)間切換次序持續(xù)的切換封閉式繞組并推動(dòng)磁場(chǎng)前進(jìn)，磁場(chǎng)的前進(jìn)產(chǎn)生直流電創(chuàng)造的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，且該轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)以切換次序的速度和方向旋轉(zhuǎn)。在封閉式繞組上的時(shí)間切換次序使得直流電切換的封閉式繞組無(wú)需承受高電勢(shì)的代價(jià)，因此封閉式繞組可以承受巨大的直流電流(例如：超過(guò)數(shù)百安培)。

圖6與圖4是同等效果，它可以與圖4步驟互換而產(chǎn)生圖1a-3d所示的電機(jī)100同樣的磁場(chǎng)效應(yīng)。八步時(shí)間切換次序圖5b、5d、5f、5h、5j、5l、5n和5p也可以結(jié)合起來(lái)創(chuàng)造一個(gè)八步時(shí)間切換次序，實(shí)質(zhì)上如圖7a-7h所示，每一個(gè)時(shí)間切換次序促使磁場(chǎng)推進(jìn)45度。圖7i展示了一個(gè)全磁場(chǎng)轉(zhuǎn)數(shù)八步時(shí)間切換次序的分段電勢(shì)圖。四線(xiàn)槽封閉式定子繞組112基本運(yùn)行準(zhǔn)則和以及以上展示的相應(yīng)時(shí)間切換次序可以應(yīng)用于任何相封閉式繞組以及相應(yīng)的時(shí)間切換次序。封閉式定子繞組112和時(shí)間切換次序應(yīng)該如此組合配置：使放電磁場(chǎng)產(chǎn)生的自感應(yīng)電流推進(jìn)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和線(xiàn)槽中電流疊加來(lái)創(chuàng)建磁極，在同一線(xiàn)槽中應(yīng)避免電流抵消，除非是為了推進(jìn)定子磁場(chǎng)。對(duì)于超過(guò)四相的封閉式繞組，繞組繞過(guò)多少線(xiàn)槽以及切換器如何配置每相繞組切換會(huì)有更多的選擇。本文所描述的基本做法和系統(tǒng)均可適用，如果可能都要保證在任何時(shí)候均衡的磁極配置和均韻切換步驟切換。

封閉式定子繞組線(xiàn)槽的總數(shù)量可以用定子繞組公式來(lái)描述：s＝pxnxr，設(shè)s為定子上線(xiàn)槽的總數(shù)量；p是至少是三相；n是至少每個(gè)繞組占據(jù)有一個(gè)線(xiàn)槽；r至少有一對(duì)定子磁極(例如：一個(gè)四極繞組的r＝2)?；旧洗斯娇梢援a(chǎn)生無(wú)限種定子磁極和線(xiàn)槽的組合。類(lèi)同于無(wú)刷直流電機(jī)，r磁極轉(zhuǎn)數(shù)產(chǎn)生一次轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。

圖8展示切換器400的具體實(shí)施例(如：開(kāi)關(guān)式切換器)，其電子半橋開(kāi)關(guān)可以用來(lái)與前面討論的圖1a－7i聯(lián)接起來(lái)。該電子半橋聯(lián)接(通過(guò)電線(xiàn)801)到封閉式定子繞組112，通過(guò)切換端1*來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間切換次序。需要注意的是，其它的切換端同樣通過(guò)其它電線(xiàn)(802，803，和804)聯(lián)接到相應(yīng)的半橋。為了保持圖表的簡(jiǎn)潔，一般這些半橋和半橋與切換端之間聯(lián)接的電線(xiàn)在圖中沒(méi)有顯示。因此每一個(gè)切換端(帶有x*標(biāo)記的端)被聯(lián)接在它們相應(yīng)的半橋(x的圓圈)，每相依次通過(guò)一個(gè)高端開(kāi)關(guān)與一個(gè)直流電電源高壓端聯(lián)接(圖上未顯示)，再通過(guò)一個(gè)低端開(kāi)關(guān)聯(lián)接在直流電源低壓端。

圖9a是切換器900的另一個(gè)實(shí)施例并可能被用于圖1a－7i。圖9a闡述了運(yùn)轉(zhuǎn)之中的旋轉(zhuǎn)機(jī)械切換器900，圖9b是其分解圖。在圖9b中所展示彈簧加載的固定切換端的電刷1*，2*，3*和4*對(duì)應(yīng)固定圍繞著旋轉(zhuǎn)的電極902和904。旋轉(zhuǎn)機(jī)械切換器電極總成906可和電機(jī)轉(zhuǎn)子120連接實(shí)現(xiàn)自切換或者由按時(shí)間切換次序控制的第二個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流電源通過(guò)集電環(huán)908和910傳遞到旋轉(zhuǎn)機(jī)械切換器電極總成906，集電環(huán)908和910通過(guò)電線(xiàn)912和914連接電極902和904，集電環(huán)908和910通過(guò)彈簧加載的電極電刷916和918與靜止固定的直流電源連接。圖9c展示了圖9a和圖9b機(jī)電示意圖并顯示了定子磁場(chǎng)方向。切換端有次序并且均勻地分布在旋轉(zhuǎn)機(jī)械切換器電極總成906周?chē)?。電極角與相時(shí)間角是相角的四分之三，這樣八步時(shí)間切換次序的每一步有同樣的時(shí)間間隔。然而電極角與相時(shí)間角是可以不同的，因此產(chǎn)生無(wú)限個(gè)非均韻切換步奏時(shí)間切換次序。在圖9c之中，線(xiàn)槽號(hào)碼s1-s4是在相之間。一般采用均韻切換步奏，這樣每一個(gè)時(shí)間切換次序步驟都有大概相同的間距，勻速、勻加速或勻減速。

圖10a展示了電流流動(dòng)和在時(shí)間切換次序上的一個(gè)切換步驟所產(chǎn)生的磁極。向上的電流槽顯示磁極的北極，向下的電流槽顯示磁極的南極。時(shí)間切換次序展示為：端1*和2*盒子中的加號(hào)代表切換器開(kāi)關(guān)1h和2h是關(guān)閉狀態(tài)并且連接于直流電正極；端3*和4*的盒子中的負(fù)號(hào)代表切換器開(kāi)關(guān)3i和4i是關(guān)閉狀態(tài)并且連接于直流電負(fù)極。(此習(xí)慣標(biāo)示將用于整個(gè)披露)。圖10a也用數(shù)字來(lái)代表定子線(xiàn)槽的序號(hào)(舉例：線(xiàn)槽1被簡(jiǎn)化為s1；線(xiàn)槽2被簡(jiǎn)化為s2；線(xiàn)槽3被簡(jiǎn)化為s3；以及線(xiàn)槽4被簡(jiǎn)化為s4)。圖10b展示了不同于圖10a獨(dú)立繞組的繞組相互連接的另一種替代方式。圖10c展示了定子110的主視圖，說(shuō)明了在時(shí)間切換次序上相對(duì)于線(xiàn)槽幾何位置的定子磁場(chǎng)指向。圖10d是相應(yīng)切換器400的開(kāi)關(guān)設(shè)置。

圖11a顯示一個(gè)三相封閉式定子繞組1100的示意圖。圖11b顯示旋轉(zhuǎn)機(jī)械切換器1110機(jī)電示意圖并描述了定子磁場(chǎng)方向。圖11c展示三相封閉式定子繞組1100的十二步時(shí)間切換次序。圖12a－12l展示了三相封閉式定子繞組1100的十二步時(shí)間切換次序及定子電流和定子磁場(chǎng)相對(duì)與線(xiàn)槽的幾何位置。每一個(gè)切換步驟都推進(jìn)磁場(chǎng)約30度。注意所有的偶數(shù)步都有電流在線(xiàn)槽中的對(duì)沖消除現(xiàn)象，這并不是所期望的。理想化的情況下，此偶數(shù)步驟的時(shí)間差在十二步時(shí)間切換次序中應(yīng)該盡可能的縮短，或者由電子半橋的死區(qū)控制取而代之控制蓄電步驟。死區(qū)控制是指半橋高位開(kāi)關(guān)和低位開(kāi)關(guān)在任何時(shí)間不同時(shí)合攏，從而避免電流直接導(dǎo)通(或者“短路電源”)。此“死區(qū)控制”是由軟件或者硬件來(lái)執(zhí)行。實(shí)際上執(zhí)行死區(qū)控制的時(shí)間為繞組線(xiàn)圈蓄電產(chǎn)生磁極提供了足夠的時(shí)間。

圖13a－f展示了帶有電流流向和定子磁場(chǎng)方向的三槽定子110的主視圖。在相應(yīng)的圖13a和13b中，繞組線(xiàn)圈只被畫(huà)兩圈以簡(jiǎn)單明了展示繞組末端的電流方向(在線(xiàn)槽線(xiàn)圈繞組之外)。背面的繞組線(xiàn)圈被畫(huà)做虛線(xiàn)，正面的繞組線(xiàn)圈被畫(huà)做實(shí)線(xiàn)。圓圈中的加號(hào)標(biāo)識(shí)展示了電流流入線(xiàn)槽，圓圈中帶一個(gè)點(diǎn)展示的是電流流出線(xiàn)槽。圖13a展示了繞組線(xiàn)圈#1，繞組線(xiàn)圈#2和繞組線(xiàn)圈#3都被充電。此刻，繞組線(xiàn)圈#1的末端被切換到高電勢(shì)2*。在圖13c和13d之中，繞組線(xiàn)圈#1已充電的磁場(chǎng)開(kāi)始放電；電流由于磁場(chǎng)放電持續(xù)地通過(guò)繞組線(xiàn)圈#2流入低電勢(shì)端3*來(lái)增強(qiáng)繞組線(xiàn)圈#2的電磁場(chǎng)；從放電磁場(chǎng)產(chǎn)生的能量被重新導(dǎo)回來(lái)建造或者增強(qiáng)即將到來(lái)的在時(shí)間切換次序上的磁場(chǎng)，并且能量被捕捉在封閉式定子繞組的內(nèi)部。這個(gè)切換步驟將定子磁場(chǎng)有效地推進(jìn)了約30度。在圖13e和13f中，繞組線(xiàn)圈#1起始端從高電勢(shì)端1*被切換開(kāi)，繞組線(xiàn)圈#1開(kāi)始充電，充電電流有效地推進(jìn)了定子磁場(chǎng)。需要注意的是，在線(xiàn)圈末端(線(xiàn)槽外部)的電流實(shí)質(zhì)上同樣增強(qiáng)了定子磁場(chǎng)，成為產(chǎn)生定子磁場(chǎng)的繞組線(xiàn)圈整體的一部分。因此，此封閉式定子繞組導(dǎo)致了更多的定子能量密度。電流的流動(dòng)特點(diǎn)對(duì)非常短線(xiàn)槽的定子有利。

圖14展示了三槽定子1100按十二步時(shí)間切換次序完成一個(gè)全旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的相電勢(shì)圖。

圖15a展示了直流電機(jī)總成100的三槽定子1100的另外一種可能的六步時(shí)間切換次序。圖15b展示了六步時(shí)間切換次序完成全旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的相電勢(shì)圖。對(duì)于這種準(zhǔn)均韻切換步奏的六步時(shí)間切換次序，定子磁場(chǎng)在每一步切換中被推進(jìn)約60度。再一次強(qiáng)調(diào)，時(shí)間切換次序有無(wú)限種組合及步驟間隔，然而只有一個(gè)十二步均韻切換步驟時(shí)間切換次序和一個(gè)六步準(zhǔn)均韻切換步驟時(shí)間切換次序。

圖16展示了直流電機(jī)總成100的五相封閉式定子繞組的二十步時(shí)間切換次序。再一次強(qiáng)調(diào)，所有偶數(shù)步驟在線(xiàn)槽都有電流對(duì)沖消除，它是不受歡迎的，此偶數(shù)步驟的間隔在二十步時(shí)間切換次序中應(yīng)該盡可能的縮短。

圖17展示了三相四磁極的封閉式定子繞組：其p＝3，n＝1，r＝2，以及s＝6.每相繞組線(xiàn)圈占據(jù)間距為一對(duì)磁極的兩個(gè)線(xiàn)槽。

圖18展示了三相六磁極的封閉式定子繞組：其p＝3，n＝4，r＝3，以及s＝36。每個(gè)繞組占據(jù)四個(gè)相鄰的線(xiàn)槽；繞組被分成三個(gè)同樣的群組。

圖19展示了三相六極的封閉式定子繞組，其p＝3，n＝2，r＝8以及s＝48。每個(gè)繞組占據(jù)兩個(gè)相鄰的線(xiàn)槽；繞組被分成八個(gè)一樣的群組。

圖20展示了四相二極的封閉式定子繞組，其p＝4，n＝2，r＝1以及s＝8，每個(gè)繞組線(xiàn)圈占據(jù)兩個(gè)相鄰的線(xiàn)槽。

圖21展示了四相六極封閉式定子繞組，其p＝4,n＝3,r＝3,以及s＝36。每個(gè)繞組占據(jù)三個(gè)相鄰的線(xiàn)槽，繞組分成三個(gè)一樣的群組。

圖22展示了五相兩極的封閉式定子繞組，其p＝5,n＝1,r＝1,以及s＝5。

圖23展示了六相兩極的封閉式定子繞組，其p＝6,n＝1,r＝1,以及s＝6。

圖24a和24b展示了六相兩極的封閉式定子繞組，其p＝6,n＝2,r＝1,以及s＝12。圖24a展示的是放電的步驟，然而圖24b展示的是充電的步驟。

圖25展示了八相兩極的封閉式定子繞組，其p＝8,n＝1,r＝1,以及s＝8。

圖26展示了十相兩極的封閉式定子繞組，其p＝10,n＝1,r＝1,以及s＝10。

圖27展示了十二相兩極的封閉式定子繞組，其p＝12,n＝1,r＝1,以及s＝12。

第一個(gè)實(shí)例如下:按圖19改裝重新繞線(xiàn)的方法，電機(jī)定子是來(lái)自由加利福尼亞州洛杉磯的codaautomotive生產(chǎn)的電動(dòng)汽車(chē)的牽引電機(jī)。其電機(jī)有48個(gè)線(xiàn)槽的定子，屬于qum品牌原始設(shè)備生產(chǎn)商的三相交流電機(jī)。三相疊繞組的每一相使用52股awc#22號(hào)電磁線(xiàn)。16極永磁鐵式轉(zhuǎn)子。電機(jī)定子根據(jù)p＝3,n＝2,r＝8,s＝pxnxr＝48的方程式重組并重新繞線(xiàn)。八個(gè)三相線(xiàn)圈繞組平行連接，每個(gè)繞組有三組線(xiàn)圈，根據(jù)此所描述的特性，每組36圈2根awg19電磁線(xiàn)占據(jù)兩個(gè)線(xiàn)槽。這個(gè)重建電機(jī)所使用的切換器是汽車(chē)原裝變頻器的模擬電路部分，以及依據(jù)著圖11c的時(shí)間切換次序重新編程的arduino微處理器，

上述方法的第二個(gè)實(shí)例如下描述:mcleanengineering的k33hxbls-673交流感應(yīng)電機(jī)被分拆然后按圖20繞線(xiàn)重新構(gòu)成四極的鼠籠式直流感應(yīng)電機(jī)。此處設(shè)置為：p＝4,n＝2,r＝2,s＝pxnxr＝16。封閉式定子繞組是內(nèi)部平行相連的。八個(gè)繞組的每一個(gè)用awg22號(hào)電磁線(xiàn)繞10圈。atmel牌328微程式控制器(mcu)(atmega328八位avrrisc為基礎(chǔ)的微控制器)按圖4a所示的時(shí)間切換次序驅(qū)動(dòng)四個(gè)電子半橋。該半橋?qū)?4伏直流電壓從直流電源切換到電機(jī)的定子繞組以在定子上產(chǎn)生四個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁極。

上述方法的第三個(gè)詳細(xì)實(shí)例如下描述。orientalmotorusa牌、型號(hào)為e0144-344交流感應(yīng)電機(jī)被分拆然后重新組建和繞線(xiàn)以構(gòu)成四極鼠籠式直流感應(yīng)電機(jī)。如圖27所示，定子被構(gòu)造為十二相封閉式繞組。此繞組是內(nèi)部并聯(lián)，并且每一相都連接到一對(duì)機(jī)械式繼電器。此處轉(zhuǎn)子為鼠籠式設(shè)計(jì)。24個(gè)繞組中每個(gè)繞組用一根awg21號(hào)電磁線(xiàn)繞16圈。還可使用atmel牌的328微程式控制器(mcu)(atmega328八位avrrisc為基礎(chǔ)的微控制器)按時(shí)間切換次序驅(qū)動(dòng)電子半橋。該半橋?qū)?2伏直流電壓從直流電源切換到電動(dòng)機(jī)的定子繞組并在定子上產(chǎn)生四個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁極。

此處描述的電機(jī)總成100類(lèi)似于萬(wàn)能電機(jī)。萬(wàn)能電機(jī)如此命名是因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)在交流電和直流電電源上運(yùn)作。它是一種切換串聯(lián)勵(lì)磁電機(jī)，其定子部分的勵(lì)磁繞組串聯(lián)地通過(guò)切換器連接于轉(zhuǎn)子繞組。萬(wàn)能電動(dòng)機(jī)與直流串聯(lián)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上是非常相似，但是有些細(xì)微的改變使得電動(dòng)機(jī)可以在交流電源上正確地運(yùn)行。這種電機(jī)可以在交流電上運(yùn)行得非常的好，因?yàn)樵谕瑯哟艌?chǎng)繞組線(xiàn)圈和轉(zhuǎn)子上的電流將會(huì)與電源同步(變換極性)。因此，由此導(dǎo)致的機(jī)械力獨(dú)立于外加電壓的方向而產(chǎn)生同方向的旋轉(zhuǎn)，僅由切換器和磁場(chǎng)繞組線(xiàn)圈的極性所決定。

圖28a顯示三相交流電流經(jīng)人工預(yù)設(shè)的12個(gè)類(lèi)比電勢(shì)點(diǎn)，此電勢(shì)點(diǎn)在交流電機(jī)(即圖29交流電機(jī)2900)與圖28b時(shí)間切換次序相對(duì)應(yīng)(如圖11c)。封閉式繞組三相電機(jī)被驅(qū)動(dòng)的對(duì)應(yīng)電勢(shì)就如同被直流切換，但它確是交流驅(qū)動(dòng)。此封閉式繞組可以被三相網(wǎng)路交流電流直接驅(qū)動(dòng)(也就是說(shuō)，正如交替電流名稱(chēng)所示，交流電機(jī)是自切換的)。雖然封閉式定子繞組在這里被解說(shuō)成直流切換繞組，它被同步自然自切換的交流電驅(qū)動(dòng)時(shí)，其本質(zhì)是交流電機(jī)定子繞組，此交流電需要有120度相位差。此種封閉式繞組在由自切換的交流電驅(qū)動(dòng)時(shí)不需要切換器。這種封閉式定子繞法稱(chēng)為交流/直流通用式或者萬(wàn)能電機(jī)繞線(xiàn)法。

圖29是交流電機(jī)總成2900的透視圖。交流電機(jī)總成2900的特征是定子2910、轉(zhuǎn)子2920和線(xiàn)圈繞組2912。交流電機(jī)總成將會(huì)以本文中所描述的帶有相同變化數(shù)字線(xiàn)槽的直流電動(dòng)總成100的同樣方式來(lái)生產(chǎn)和運(yùn)作。正如在有關(guān)直流電機(jī)總成100中所討論，轉(zhuǎn)子2920感應(yīng)由線(xiàn)圈繞組2912所創(chuàng)造的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下可以在定子2910中旋轉(zhuǎn)。除了交流電機(jī)以外，與直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常相似但是不需要有切換器，交流電機(jī)總成2900的速度是由變頻器2940來(lái)驅(qū)動(dòng)的(顯示在交流電機(jī)總成2900的外部但是在其他的實(shí)施例中也可能被置于交流電機(jī)總成的內(nèi)部)。

發(fā)電機(jī)一般也會(huì)按在此闡述的直流電動(dòng)機(jī)100和交流電動(dòng)機(jī)2900的相同方式生產(chǎn)和運(yùn)作。

正如之前討論的，在圖1a-29中所披露的電機(jī)100和2900的一些優(yōu)勢(shì)可能包括以下內(nèi)容。第一，電機(jī)可以運(yùn)行在非常高的啟動(dòng)扭矩，因?yàn)槎ㄗ永@組是由直流電流勵(lì)磁的。這在一般情況下可與電刷式永磁直流電機(jī)所提供的啟動(dòng)扭矩相比較，但是沒(méi)有電機(jī)機(jī)體內(nèi)部電刷的不利條件。第二，因?yàn)樾D(zhuǎn)速度是根據(jù)時(shí)間切換次序步驟來(lái)推進(jìn)的，因此電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度可以被精確地控制。這些步驟可被控制(例如通過(guò)準(zhǔn)確的電子電路和/或電子控制器)到相當(dāng)高度的準(zhǔn)確性。第三，電機(jī)可運(yùn)作于高效率和高功率密度。這是因?yàn)楦倪M(jìn)了的電機(jī)定子不需要有電刷和與之相關(guān)的接觸損失，所以繞組在定子上更易散熱，因此產(chǎn)生更少的熱量并提高效率。第四，電動(dòng)機(jī)可以應(yīng)用于交流電或者帶切換器的直流電。比交流電機(jī)現(xiàn)有技術(shù)有更高效的變頻效率。這是因?yàn)殡姍C(jī)避免了由各種變頻器產(chǎn)生的問(wèn)題，例如高頻率的脈沖寬度調(diào)制(pwm)開(kāi)關(guān)損失，交流電表層影響，和電機(jī)總的諧波失真(thd)相關(guān)的鐵芯損耗。第五，在一些替代的具體實(shí)施例子，定子和轉(zhuǎn)子被認(rèn)為可以有無(wú)限的直徑，意味著線(xiàn)槽的數(shù)量沒(méi)有固定限制，也提供了一個(gè)改進(jìn)的線(xiàn)型直流電機(jī)。第六，在一些代替的實(shí)施例中，當(dāng)與永磁轉(zhuǎn)子或者鼠籠式轉(zhuǎn)子配對(duì)并被外力驅(qū)動(dòng)時(shí)可做發(fā)電機(jī)(基于法拉第定律)。第七，其他的在此描述的實(shí)施例也同樣可以被適用于其他類(lèi)型的電機(jī)械裝置，例如旋轉(zhuǎn)磁懸浮軸承。實(shí)際上任何類(lèi)型的電機(jī)械裝置使用的交流電旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)都有潛在的可能性根據(jù)此處描述的電機(jī)和方法而被改進(jìn)。第八，由于每個(gè)線(xiàn)槽有最多可切換四步的分辨率，定子繞組與時(shí)間切換次序一起可以用作制造步進(jìn)電機(jī)。第九、由于切換器可置于電機(jī)機(jī)體外部，因此，直流電機(jī)可被制成封閉式。傳統(tǒng)的直流電機(jī)被此處描述的電機(jī)所取代并可大幅度減少維修費(fèi)用。舉例說(shuō)明，切換器可以不需要打開(kāi)電機(jī)的機(jī)體而被輕易地替換。第十、由于尾部繞組線(xiàn)圈共同建立定子磁場(chǎng)，此處描述的電機(jī)更加節(jié)能并有更大功率密度及節(jié)約銅線(xiàn)。第十一，此處描述的按時(shí)間切換次序切換的直流電機(jī)，具有傳統(tǒng)直流電刷電機(jī)的高啟動(dòng)扭矩和交流電機(jī)精密速度控制的優(yōu)勢(shì)。第十二，此處描述的電機(jī)在用網(wǎng)路交流電或者是現(xiàn)成的變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)是交流電機(jī)。第十三，此處描述的電機(jī)為每個(gè)線(xiàn)槽四步驟的步進(jìn)電機(jī)。第十四，此處描述的電機(jī)與磁阻轉(zhuǎn)子配合是一個(gè)磁阻電機(jī)(例如，磁阻電機(jī)是電機(jī)的一個(gè)類(lèi)型，轉(zhuǎn)子是可磁化的其非永磁體)。第十五，此處描述的電機(jī)放電磁場(chǎng)電流在封閉式定子繞組上流到低電勢(shì)端，沒(méi)有直流電電流切換的代價(jià)。第十六，此處描述的電機(jī)有直流電簡(jiǎn)單的控制特性，可用來(lái)建造高功率的真正的無(wú)刷直流電、步進(jìn)和磁阻電機(jī)。

此處描述的電機(jī)特性提供一個(gè)改進(jìn)的高功率密度的，高扭矩牽引電機(jī)。此電機(jī)可能適合道路和軌道電車(chē)、海洋船舶、有軌電車(chē)、地鐵，以及其他使用高扭矩、高功率應(yīng)用領(lǐng)域。這種電機(jī)也可以運(yùn)用于汽車(chē)，家用電器、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療器械、電動(dòng)工具，機(jī)器人或者任何將電能轉(zhuǎn)成動(dòng)能的應(yīng)用。

繼續(xù)的描述旨在更詳盡且無(wú)具體限制。本文中所提及的具體特性也有可能被修改和變更，但不偏離于其主旨和發(fā)明的范圍。在詳細(xì)說(shuō)明中的語(yǔ)言應(yīng)該被理解為說(shuō)明任何非主張聲明的要素作為發(fā)明在實(shí)踐中的一個(gè)基本元素。本發(fā)明的實(shí)際范圍是由主張聲明來(lái)定義。

文字或者主張聲明要素的定義應(yīng)當(dāng)不只包括要素的組合，逐字陳述于此，但是所有相同的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)或者以實(shí)質(zhì)一樣的方法充當(dāng)執(zhí)行的相同的作用來(lái)取得實(shí)質(zhì)上一樣的結(jié)果。

所有本申請(qǐng)書(shū)中用于描述該發(fā)明及其不同的實(shí)施例中的文字包括物件結(jié)構(gòu)、構(gòu)成材料或任何超于常規(guī)的范圍，都應(yīng)以一般常理下的定義來(lái)理解。因此，此申請(qǐng)書(shū)中的任何背景脈絡(luò)可能以一個(gè)以上的意思來(lái)做解釋時(shí)，則該主張與聲明應(yīng)以最通泛的定義來(lái)支持該見(jiàn)解。

盡管敘述的方法步驟或主張聲明中所陳述的特定頻率順序，但前述的項(xiàng)目皆可以不同的先后順序以不同的工作特性來(lái)做配置。換句話(huà)說(shuō)，任一步驟中所陳述的頻率和次序在沒(méi)有特定的要求下都不需要依照順序來(lái)執(zhí)行，再者，為這些程序所繪制的說(shuō)明圖示并不表示所說(shuō)明的過(guò)程和步驟對(duì)物件具體性是絕對(duì)必要亦或是較優(yōu)先的，在具體化的過(guò)程里所說(shuō)明的程序可以以不讓使用者過(guò)多的介入來(lái)操作。

在切換切換裝置中陳述里除特例外，需要與其他裝置配對(duì)時(shí)是不需要有持續(xù)性的溝通或或是有實(shí)際物理性接觸。在另一方面，此種裝置只需和其他裝置做必要或偏好的傳動(dòng)并且實(shí)際上在大多數(shù)的情況下裝置間的數(shù)據(jù)交換會(huì)對(duì)傳動(dòng)造成限制。舉例來(lái)說(shuō)，兩個(gè)機(jī)械裝置在透過(guò)網(wǎng)絡(luò)相互溝通和配對(duì)時(shí)，可能無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間的做數(shù)據(jù)傳輸(例如長(zhǎng)達(dá)數(shù)周的時(shí)間)。順帶一提的是，裝置與裝置之間可能需要通過(guò)媒介來(lái)作溝通或配對(duì)。

本文件標(biāo)題(本申請(qǐng)文件的第一頁(yè)起始部分)和摘要(本申請(qǐng)文件的最后部分)都不局限在所揭露發(fā)明項(xiàng)目的范疇里。本申請(qǐng)文件主標(biāo)題和每款每項(xiàng)的副標(biāo)題也都以閱讀便利性為前提，但不僅局限在所揭露內(nèi)容。