技术领域
[0001] 本
发明公开一种新型电机原理方案，涉及电机领域，包括发电机和
电动机。
背景技术
[0002] 中国
专利申请2019100076075公开了一种
基础电磁技术原理方案，利用导磁材料上的瑕隙结构造成局域空间磁导极化而使得电磁作用极化。该专利中讲述电机应用时，提出了磁极磁通分流，依赖磁路中的瑕隙结构，形成漏磁，发电机是接收漏磁
辐射，电动机是漏磁磁差形成迫动，具有新颖启发性。
[0003] 该电机方案默认了所有磁通循环都是闭循环，却在处理磁导极化时采用了漏磁方式。如果把不经电枢的变化磁通等效为开路，那么漏磁循环必然是开循环。因为瑕隙结构的运动，这种等效磁通开路可行，而且还有空间拓展性优势。但是漏磁并不是事实上的磁通开路，漏磁还是会经各种空间磁通回路与磁极形成闭合循环，白白浪费了一部分电机功率，而且还可能干扰电机内邻近磁路循环。漏磁方式导致该方案的发电机电只能是直接接收
电磁辐射或扰动，磁污染大，效率低，
波形差，并不适合多极以增大功率。漏磁方式对该方案的电动机益处较大，空间拓展性
自由度高，可漏磁及其次生问题损害无可避免。漏磁是其最大弊端，严重削弱了其原理创新性优势。
发明内容
[0004] 本发明继承了上述电机磁极磁通分流思想的优点，却寻找到了抛弃其漏磁缺点。本发明寻找到了替代漏磁方案，提出了磁导极化另一种可行利用方式：依靠导磁材料本身空间形状实现电机定域
磁场变动。具体地说，利用软磁材料薄厚的变化控制电机磁导极化，使得每个磁极磁通动态分流成两个支路，不同磁极的两动态支路间的磁通差量就是变化的，利用这种磁通变化就能实现电机功能。为了实现磁通完全闭合循环，还在各个磁极之间增加了磁轭凸柱，短接了异名磁极之间的磁路循环，磁轭凸柱上缠绕线圈就实现了电枢功能。
[0005] 与专利申请2019100076075中电机案例相同的是，双向磁通来自相邻异名磁极，是在与磁极可分离运动的软磁材料内叉开成两路的。这个软磁材料扫掠磁极时，磁极磁通被分流成相反方向的两条循环路径，考虑到不同磁极支路分段拼合的空间延展性、对电机
力矩的约束规范及材料本身的经济性，在本发明方案中，这个软磁材料可以被称为轨道结构。
[0006] 与专利申请2019100076075中电机案例不同的是，各个磁通支路的变化量没有被瑕隙结构的漏磁浪费，而是经由磁轭与磁极闭合，理论上就可以没有漏磁：当所有磁极固接磁轭上，异名磁极相间排列，磁极磁通在轨道结构内分流后，相邻异名磁极之间的磁导通路就是两支反向磁通，它们之间可能形成磁通循环，也可能不行，因为穿越另一个磁极的磁阻太大，磁路很长。在上述电机案例中，利用这一困难，事实上增加了漏磁支路循环，当瑕隙结构相邻磁极之间移动时，漏磁通是变化的，形成等效开路循环，造成各磁极在轨道结构内循环的磁通总量事实上是变化的，各支路磁通也是变化的。
[0007] 事实上，电机中高拓扑自由度并不是全部都用到的，总可以简化为轨道化线性运动，就有空间
角度方位是浪费的。那么上述电机方案可以牺牲一小部分空间拓扑自由度以缩小磁路循环漏磁的范围。本发明方案就把所有磁极一端都固定在了同一磁轭上，那么漏磁只能发生在另一端。要消除漏磁循环，只能给它提供
指定规范化通路，规范磁路循环只有软磁直接连接是可行的。这意味着必须短接磁路循环，也即在相邻磁极之间增加个磁轭凸柱。这样的方式把漏磁找补回来了，磁极磁通与电机磁路磁通完全相等，整个磁路是完全的闭循环。可是磁极磁通是恒定的，不会自动变化的，没有达到上述电机案例中磁极磁通支路可控变化的需要。按下葫芦浮起瓢，问题没有根本性解决。
[0008] 注意到，磁路短接会造成每个磁极磁通都可以同时使用左右两个磁轭凸柱，这必然形成两个闭磁路循环，而每个磁轭凸柱都又是左右两个磁极共用的磁通路。每个磁极都是双通路循环，就没必要限定相邻磁极是同名是异名的。考察磁极通量，如上述电机方案所言，分流的两个闭路磁循环并不是独立的，源于同一磁极，通量是固定的，所以两路磁通分配必然就是此多彼少。考察磁轭凸柱，来自左右两个磁极的两个方向磁通囿于其中，所以，其内磁通量变化可由磁极分流支路通量控制。利用磁导极化理论，利用软磁材料磁导率远大于
真空的事实，本发明提出：可利用软磁材料薄厚的变化来控制空间磁导极化，可使得电机磁路疏密有致。
[0009] 至此，为解决专利申请2019100076075中电机方案漏磁这一个问题，本发明提出了连续两步补救方案，一是增加短接异名磁极之间的磁路循环的磁轭凸柱，二是通过轨道结构的厚度变化控制电机磁场的变化。两步配合使用，不可偏废，缺一不可，完美解决问题。
[0010] 本发明方案电机的磁路是，磁极磁通进入轨道结构内一分为二，穿出轨道结构后经过两个凸柱进入磁轭，从磁轭返回磁极，完成双通路闭循环。这个过程中，磁轭内的磁路都是动态变化的，磁轭凸柱内是来自两个磁极的两个磁通支路的和差，磁轭与磁极之间是单个磁极俩磁通支路之一，因此，这两部分都可以缠绕上线圈作为电枢。当然，磁轭的凸柱是最佳的电枢线圈缠绕
位置。
[0011] 本发明方案的电机总结原理就是利用了动态双向磁路通量的差量变化，发电机利用了磁轭内磁通量变化，电动机利用了轨道结构内磁通量变化。磁轭及凸柱内合通量变化感生电动势，轨道结构内合磁场推拉磁阻最大点（最窄处）运动。发电机和电动机都利用了双向磁通的和差，只是位置不同，所以将本发明方案的电机命名为磁差电机。
[0012]
附图1是本发明方案应用在旋转电机示例的原理示意图，附图2是直线电机原理示意图局部，它们都是发电机和电动机通用的磁差电机，附图中标号1指的是软磁材料构成的轨道结构，标号2指的是磁极，包括
永磁体和电磁体，标号3指的是电枢线圈，标号4指的是磁轭，也是由软磁材料构成的。图1中的电机是八极电机，其中四极是磁极2，还有四极是磁轭4的凸柱，上面缠绕着
电枢绕组3。本人的样品发电机采用如图1所示结构，磁极2全为同名排列，轨道结构1极为内
转子，由
硅钢片叠压而成，
外圈截面是个圆，光滑无磁槽，而
内圈呈现近似椭圆形。这是因为要在转子半径上形成磁导极值点，最大值和最小值的半径最小夹角等于相邻磁极的夹角。附图2中直线电机轨道结构1与主体结构尺寸一般差别较大，比如轨道是很长很宽的硅钢结构。旋转电机可便宜选择轨道结构内置或者外置，旋转电机和直线电机都可便宜选择轨道结构是否为电机动子。附图3是磁极2全为电磁体的旋转电机示意图，若电枢线圈3中相间一半为恒流励磁绕组则等同附图1，这两种功能的电枢3不要求尺寸规格相同，若磁极2与电枢3都是等同属性的电磁体时，电枢3中相间的一半与另一半还可以选择加载同频共轭
电流，只能作为电动机使用，相当于磁阻电机。
[0013] 下面就磁差电机的特点、设计要求及应用加以说明。
[0014] 1、本发明把磁极、连接磁极的磁轭、磁极间的磁轭凸柱、凸柱上缠绕的电枢线圈所固定在一起的整个结构叫电机的主体结构。如前所述，本发明把与主体结构可分离运动的、控制磁路磁通变化的、厚度空间周期变化的软磁材料叫做轨道结构，这么叫也是为了便于启示开发各类型电机。轨道结构和主体结构都可以成为磁差电机的动子或
定子，按需选择。
[0015] 2、主体结构上所有磁极都固接在磁轭上，相邻磁极中间有磁轭的凸柱，电枢线圈缠绕在磁轭及其凸柱上。所有极柱面，包括磁极的端面和磁轭凸柱的端面，都落在相对轨道结构运动的滑动面内。这个滑动面实际上就是电机动子的运动轨迹的垂直拉伸面，也是轨道结构的一个侧表面
接触面。
[0016] 3、动子的轨迹可以是直线、圆或单调曲线，没有限定一定是平面曲线，相应的电机为直线电机、旋转电机和索径而行的轨道电机，按需选择。
[0017] 4、轨道结构要求所有表面连续，要求与滑动面的接触面和其背面与轨迹线切线的垂面相交是两条平行的直线。轨道结构表面的基准线定为运动轨迹线的切线，是因运动轨迹线不要求是平面单调的。接触面与过轨迹切线的截面的曲线必须是单调光滑的，可以是直线、圆及简单单调曲线等，决定了轨道结构的外在形状和空间延展性。而轨道结构背面与过轨迹切线的截面的曲线必须是周期性的且凸凹的，决定了轨道结构材料的厚度变化，变化的半周期必须严格等于相邻磁极间距。这个曲线只要求连续，不要求光滑，可以是波浪线、折线、斜齿等，但不应是如矩形
齿槽状的突变，因为要求一个周期内有且仅有各一个极大值点和极小值点。这个曲线事关电磁特性曲线，最好是匀称的，分段后各种规律对称的为佳，如镜像对称的、中心点对称的、
旋转对称的、平移或滑动对称的等，以满足轨道材料厚度均匀渐变。轨道结构因为只有软磁材料，安全可靠、简洁方便、廉价经济，适合长距离铺设，尤其适用直线电机和轨道电机，如
电梯、滑轨、
铁路和发射平台。
[0018] 5、确定了电机需求后，设计磁差电机前必须精确测量磁极磁通量、磁轭和轨道结构的软磁材料性能。因为本发明方案的电机中，磁材料性能对磁路设计影响非常大，直接关系着电机的效率。A、电机的磁极相间排列，成对配合对使用，磁极对数目应该一对以上，一对是最少数量，对应的是四极电机，另两极是磁轭凸柱。磁极可以采用永磁、电
磁铁都行，甚至可以混用。比如在图1的发电机和电动机共用案例中，可以在磁极和磁轭凸柱之间的部分缠绕线圈以提高电动机功效。磁极的单位强度并不是最为要紧的，而是磁极的总通量才是最关键的，可以通过增加磁极面积达到设计通量即可，但磁极强度不均会造成齿槽效应。通常所有磁极的通量应尽量等值，本发明方案下文将默认磁极异名相间排列且磁极通量恒定为一般情况而讲述。如果磁极都是电磁铁且只作为电动机使用，可以不要求磁极通量恒定，只需要励磁电流与驱动电枢载同频流共轭即可，类似磁阻电机，下文不再赘述。B、建议小磁通的微电机使用磁导率差的软磁材料，这样可以加宽轨道结构，避免电机结构强度太差。建议高磁极通量大功率的电机使用高磁导率的材料，缩减轨道结构，可提高电机功率
密度。C、磁差电机的磁轭和轨道结构都可以由属性相同或者不同的软磁材料拼合而成，以提高效用、节省成本及组装方便。
[0019] 6、设计电机磁路时，着重点在设计磁轭凸柱和轨道结构。因为是新原理电机，本人还没有足够经验和数据对电机磁路进行定量研究，以试制样品电机的经验，依据磁极通量并考量软磁材料属性设定了一个基准值，定性总结如下： a、磁轭凸柱的磁通过能力与该值饱和匹配或接近，磁轭凸柱连接磁极的部分磁通过能力必须大于该值的一半，即不能达到饱和。发电机要求磁轭凸柱尽量磁通饱和，因为利用的是双向磁通差值，
冗余度大会直接削弱磁通变量效果。而电动机要求工作后磁轭凸柱内才能达到磁通饱和，未工作状态不应饱和。若要发电机和电动机共用一个
机身，可如前述在磁轭凸柱连接磁极的部分缠绕励磁线圈以加大磁极通量。另外，磁差电机的磁极夹在软磁材料之间，不可能出现偏磁，没有长时间工作后补偿偏磁的问题，日常使用只需要注意高温永磁体退磁问题即可。b、轨道结构的最窄处磁通过能力必须不能大于基准值的一半，且须在扫过磁极时能恰好达到饱和，是一个周期内磁通能力唯一的极小值和最小值；而最宽处磁通过能力须大于该值，数倍即可，是一个周期内磁通过能力唯一的极大值和最大值。轨道结构的最窄处磁通能力决定着电机磁路的效用，样品电机证明，该处磁导能力超越基准值的一半会严重减低发电机效用，断崖式降低；至于电动机，更没有将该处能力提升超越基准值半数的理由，因为电动机还要靠此处磁导极化，通量饱和后取得磁阻极大以推动轨道结构运动；强调该处扫掠磁极时才饱和是因为其他时刻就饱和了就浪费了磁极磁通，此刻是
临界点，不造成功率浪费。轨道宽阔处是为了减小磁通密度，可扩大磁密空间分布极化差异，以突出最窄处峰值磁阻着力，所以超过标准值磁通数倍即可，因为磁通不会绕路太远，太宽就没有意义。c、磁轭凸柱与磁极之间应当有足够的空隙，以保证正常工况下磁极磁通的效用。留这个空隙是为了应对电枢反应造成的
磁滞，这是本发明方案的电机的优点和特色之一。电枢反应产生的磁通只能是双向磁通之一，就是只能增大某一方向的动态磁通而已，对另一方向来说增大了磁阻，产生了磁滞，因此，只要适当加大磁轭凸柱与磁极的间距就可以完全消除这个效果。就是说，电枢反应的不良后果可以消除，磁差电机具有天然的工作
稳定性或耐冲击性。
[0020] 7、特别提醒，本发明方案的电机电枢是缠绕在硅钢凸极上，周围一圈全部可有效作用，就是线圈的全部长度都能成为有效作用长度，应去除一般电机线圈工装习惯，线圈冗余就是浪费功率密度，应采用紧密扎实缠绕。线圈可以采用导电线、带或膜等缠绕，因为是固定在磁轭上，就没有任何限制，大电流、高
电压、大功率都可以办到，安全可靠。电枢线圈除了所绕磁芯外，还被轨道结构和磁轭的其他部分包围，电磁环境复杂，电枢绕组可能会被干扰，所以必要时电枢绕组的表面除了面向线圈中心的部分外都需要做好交变
电场屏蔽。
[0021] 8、磁差电机磁路复杂造成载流也是复杂的。其他类型的电机是电枢再次扫过同名磁极是一个电流周期，这是一个正常的磁通变换周期。A、磁差发电机内，磁轭凸柱与磁极之间内磁通变化也是这个周期
频率，就是每个磁极支路磁通变化频率是正常的，磁轭上所有非凸柱上的线圈内电流频率是正常的，但是在磁轭凸柱内，两股反向变化的磁通汇合，变化频率提升了一倍。每个磁轭凸柱两侧分段磁通支路是同向的，变化趋势也是相同的，所以同一个磁轭凸柱两侧线圈内电流是同向的，可是与隔壁相邻磁轭凸柱的是反向的。B、关于电动机，只考虑磁通恒定的情况，做驱动与控制的时候应该注意到，磁轭凸柱上的载流一个交变周期只能推动磁差电机动子运动1/2周期，即相邻异名磁极间的距离，而磁轭凸柱两侧到磁极间的电枢驱动则是正常频率；若要在磁轭凸柱两侧到磁极间都做励磁或补偿，请加载直流电，而磁轭凸柱上的线圈不适合直流励磁。磁通不恒定的例外是个磁阻电动机，所有磁极和凸柱都是等同的电磁铁，使用共轭交变电流驱动。
[0022] 9、磁差电机可以留很大的功率冗余度，支持倍数功率变换。这特别适合启动时候需要大力矩的而平稳工作又维持较小力矩的场合，比如
电动车。这是因为本发明方案的电机是单相电机，只用时序通断有无二分即可。单个电枢的停工只会让到隔壁的电枢工作更轻松，不会连
锁式影响剩下的电枢，系统稳定性非常强。所以当电机的部分电枢可以维持工作时候，其他电枢可以停歇，等需要时候再工作，停歇的时间可以是任意的。这是旋转磁场电机无法做到的。
[0023] 10、磁差电机最大特点是工作结构、控制结构、磁极，彼此空间错位分离，有很高空间拓扑自由度。这是其他任何电机都无法做到的，这是由专利申请2019100076075提出的磁导极化和磁通分流原理决定的。众所周知，电机中磁场只是功能转换的媒介，磁极可以不成为功能转换的结构。磁差电机中，磁极只提供了功能转换结构的工作环境，轨道结构和电枢才是功能转换结构：发电机，轨道结构是控制结构，电枢是工作结构，电动机是反过来。磁极与功能转换结构空间错位，可以独立工作。其他任何的电机方案，磁极都必须与功能转换结构之一简并，例如，感应电机的磁场就是控制结构，而同步电机的磁极和工作结构都兼任了控制功能。所以，磁差电机同时既是同步电机，又是感应电机，使用驱动方法可参考一般同步电机。磁极独立具有天然的空间拓扑优势，电机能实现如高电压、大电流、高功率、小惯量、易
散热及营运安全、维护简便等诸多好处，更能实现小电流、
低电压、小功率等功能单元组合成大的功率单元，节能高效。
[0024] 11、 轨道结构和主体结构之间可以没有固定的功率、尺寸和数量匹配关系。得益于单相载流可同步控制和空间拓扑加成，磁差电机可以多个、多级、多功能，连环嵌套或并行使用，某些部件可以共用或者简化合并，而不会增加系统载流复杂性。例如，一个运载平台并行应用本发明方案的同一型号的多个电动机，增大了功率，电机之间的动子和定子可适当错位，减小了力矩
波动，运动将更加平稳，性能得到提升；同一绵长或者宽阔轨道结构上可以同时运行多个直线磁差电机，节省空间，提高效率；同一电机结构内不同单元功能可以不同，如电动机空载时候可以用非驱动电枢发电。当因为电压、电流或材料性能及成本因素直接采用一个大功率电机有困难时候，也建议采用小磁通、小电流、低电压或小功率的电枢功能单元组成一个磁差电机，效率和总功率不会降低。由于空间拓扑性，理论上，磁差电机没有功率上限。
[0025] 12、 磁差电机理论上是没有齿槽效应的，但还是有空载平衡区域，这是检验磁差电机磁路设计良好的典型指标。 磁差电机是一款根据材料性能精准设计的磁路复杂的电机，会因为材料性能和磁路偏差而出现巨大能效差距，而需要对软磁材料属性和磁极参数的准确掌握，需要精确严格的磁路设计，如果忽略工艺偏差，理论上是可能消除齿槽效应的。但实际上磁差电机的动子还是会停止平衡点附近，平衡点不会在每个磁极附近，是在磁轭凸柱附近。这不是由于工艺误差，而是电机原理结构本身带来的。轨道结构在窄部每扫过磁极端面时就会受到较大的阻力，这是磁极磁通被强迫分流的阻力。良好的磁路设计会平缓这个阻力，减少冲击力度，也就是磁差电机空载的平衡区域会扩大，可用于检验磁路设计优劣。不同的基准的磁通量值和软
磁性能，会有不同的平衡区域，但同一磁通量值同一材料属性下的平衡区域越大越良好，空载静止的平衡点以磁轭凸柱为中心的1/4周期区域是最大理论落点范围。值得指出的是，一旦磁差电机制造完成，那么这个磁阻力就会是个定值，并不会随着工作后速度、电流、电压变化而变化，当然改变磁极通量的情况下也会改变。就是说，磁差电机自身的阻力矩是恒定不变的。这也是重要特点。
[0026] 13、磁差电机拥有最高的理论能效。磁差电机的每个磁极分成两个磁通循环，每个磁轭凸柱通过两个磁通循环，是一个磁极对应两个磁路循环，每个磁路循环都可以同时工作。其他电机是，每个磁极对应一路磁通循环，还不能同时工作，必须周期轮替以使用旋转磁场，磁极单通路的弊端是要么浪费
机体空间以获得磁路变换冗余，要么浪费部分输入
能量以求得磁通
覆盖所有电枢。磁差电机对输入能量，精打细算，量入为出，简单小微电机能效比得上最高指标，如空心杯电机、单极发电机，大型复杂的电机能效将超越其他一切类型的电机。这样的设计除了结构简化、节能高效，还有利缩减制造和运维成本。
电能是二次
能源，磁差电机能为车船飞机火电等节省
燃料，能提高
风电
水电转换效率，有利于减少环境污染。
