本发明属于电机及新能源汽车设计及制造。
背景技术：
1、随着新能源汽车尤其是纯电动汽车产业的快速发展，对电动的高速性能及高功率密度提出更高要求，随着电机转速的提升对电机及相关零部件性能均提出更高要求，电机转子及高速区轴承、齿轮的高速性能nvh提出更苛刻要求，成本增加，同时安全性、故障率等问题随之而来，双转子电机特别是对转双转子电机是一种可以成倍数提升电机功率密度的技术方向，但对转双转子电机会带来一技术命题，即：外转子或内转子至少其中之一的电流输入问题是一技术工艺难点，按照现有技术手段基本需采取电刷电环的摩擦接触方式进行电流传导，尤其是针对大功率电机来讲，采用有刷方案将使得电机寿命、安全性受到很大影响。
技术实现思路
1、在下列在先申请基础上：
2、202211030428.1双转子电机电流动静态物理端口
3、202211098410.5恒磁阻旋转变压器及铁芯设计制造方法
4、202211409893.6电流动静态端口电传导装置及设计方法
5、202211411199.8高功率密度双盘永磁同步电机及设计方法
6、202211496278.3分盘式高功率密度电机及设计方法
7、202211503563.3非差分盘式高功率密度电机及设计方法
8、本发明公开一种“非差分盘式等极共绕组永磁同步电机及设计方法”，采用双盘、三盘或多盘结构，将直流电或交流电或单相交流电进行“裂相”完成电机的连续圆周旋转或直线运动，此具体实施方案可以是针对直流有刷电机，直流无刷电机，永磁同步电机，感应异步电机来完成，由于具有多盘互补效应，转子定子极对数可以相等，可以增加单位空间内的定子转子相互作用力点数密集度，增加电磁力矩或磁阻力矩密度，可以采用方波代替正弦波电流，采用适时对方波换向交错区进行瞬态断电可以有效消除负扭矩，以上综合措施可以大大提升电机功率密度。
9、本文重点以开关磁阻电机为实施例分析，
10、由于开关磁阻电机遵循“磁阻最小”原则，与电流方向无关，所以，更适合使用此分盘式方案，按照传统的单盘式构型，定子转子磁极数不能相等，基本是取不同的偶数，以便让定子转子同轴安装后，定子转子磁极呈现“差分效应”，对相应绕组按照相应次序有序通电或断电来获得旋转运动；且必须要求每对绕组对应不同磁极；而本文方案由于具有多盘互补效应，允许转子定子极数相等，且允许同盘的所有绕组按照统一时间相序控制电流通断，将大大简化其布线及接线工艺及控制难度，尤其是采用如附图1所示方案，同盘绕组只有一个，且无传统电机的端部绕组问题，所以电磁线几乎实现有效功100％利用率，而且，由于绕组与磁极的物理空间分离，磁极的设计细分度及密集度可以任意设计。不再受制于绕组的影响，可以在确保不漏磁或磁路不干扰前提下，尽可能细分磁极数量，从而使得扭矩稳定性大大改善，特定是对于大型电机(空气磁阻很大，在空气中很短距离磁阻迅速增加，此特性与电机大小几乎没有关联性，似乎是一绝对值，所以直径越大电机，越便于设计出细分密集度很高的磁极而不用产生漏磁或磁路干扰产生负扭矩，所以越是大功率电机采用此方案优势越大)，其扭矩稳定性甚至可以做到和永磁同步、感应异步电机同样的水平。众所周知，开关磁阻电机有诸多优势，转子中没有永磁体为纯铁芯结构，不再担心发热退磁或冲击振动退磁现象，更加胜任高温及超高速运行，气隙间隙可进一步减小，稀土永磁体造价高，是永磁电机重要成本之一，提升机电转换效率、功率密度同时将大幅度降低成本，其唯一缺点就是扭矩脉动大，且控制相对复杂，而通过本专利申请公开的技术方案将圆满解决此系列问题，并使得工艺性及控制更加简单化。并减小震动噪音。
11、由于采用永磁同步电机结构，与开关磁阻电机不同可以同时获得吸引排斥电磁力作用，所以，功率密度进一步提升，且可以获取非常稳定的扭矩特性，可参见附图1、2等相关说明。
12、另外，基于图例1以及在先申请的相关设计方案基础，可以将在先申请“202211030428.1
13、双转子电机电流动静态物理端口、202211098410.5恒磁阻旋转变压器及铁芯设计制造方法”中所述的所有恒磁阻旋转变压器及铁芯设计制造方法，均在此基础上改造设计为开关磁阻电机，尤其是改造为“非差分盘式等极共绕组高功率密度电机”，具体见下文。
14、按照目前功率密度最高的永磁同步电机对比分析，按照三相正弦波绕组排线法，极对数与线槽数比值为6，而本案采用直流或调制交流方波或单相电流电，相位裂相差为90度，极对数与线槽数比值可以是2，定子转子电磁作用点为数增加3倍；按照双盘方波“重叠度占比”设定在95％(通过定子转子的恒磁阻界限面效应分析，只要不出界则不会产生负扭矩，则断电间隙接近于换向间歇，其断电间隙几乎逼近于零，可以保守按照最大不超5％占空比计算)计算，理论上可以提升2.85倍，如果将极对数尽量细分则双盘方波“重叠度占比”可以提升到98％甚至更高，则理论上可以提升2.9倍以上；另外，由于方波的能量面积分是正弦波的1.4倍，如果考虑转子旋转过程受气隙角度及力臂角度因素影响，按照1.3计算，则功率密度可以提升值＝2.9*1.3＝3.77倍；或者，实际中，也可以按照标准无间断方波交流电(电流换向时间按照零计算，正向电流负向电流衔接点为同一时间，参见图24)控制方案，即使使用无刷或有刷方案(有刷方案会有小间隙)，也是可以做到类似无间断方波或者是由直流电经有刷或无刷换向器调制后的方波交流电或脉冲交流电，按照无间断方波交流电或无间断脉冲交流电，其理论上功率密度＝3*1.3＝3.9，以上方案名词定义为“绕组槽相电流波形凝聚法”；再结合在先申请的对转双转子工作原理可以再提升2倍功率密度(命名为：对转双转子提升2倍同步气隙磁场相对转速法，简称：“2倍相对转速法”)，如果再按照在先申请的单绕组双向磁通对应双磁钢(或单磁钢双向磁通对应双绕组)双作用原理还可提升2倍功率功率(命名为：“双向磁通法”)，则三方案的叠加功率密度最大理论值可以提升3.77*2*2＝15.08倍；或者3.9*2*2＝15.6倍。
15、分析：以上提升能量密度的三种方案，第一种方案“绕组槽相电流波形凝聚法”是靠提升电流有效做功槽相数空间及波形面积分获得的，根据能量守恒定律，其电功率必然提升相应倍数，则热功耗也会相应增加，所以，考虑电磁线电流密度太大发热问题加剧因素，一般针对“绕组槽相电流波形凝聚法”方案，采用优化方案有：1、减小电流强度(注：减小电流强度只是针对该方案的电流强度而言，由于其单相代替三相的因素，使得单位绕组槽内电流有效功增加，定子转子作用点增加3倍，且用方波，所以其整体电流强度并不比传统交流同步异步电机小，反而增大)；2、减少绕组环满率(环满率定义：360定子圆周上绕组圆周阵列的排布密度饱和率)密度，也即减少定子转子极对数受力点来变相减少热量发生来实现，这样可以在不减小电流强度前提下减少绕组数量，进而降低成本及重量，并有足够空间设置导热间隙通道空间提升散热效率。所以，如果按照抗热能力提升1.5倍允许值设计，即：允许电流强度提升1.5倍计算，则最大理论减重为3.77/1.5＝2.51倍，即：在确保功率密度不变前提下，绕组及铁芯重量可减轻2.51倍(假设不允许热耗增加，则必须减少3.77倍绕组比率方可获得能量等效或热等效平衡)。显见：此方式可以增加能量密度或减小电机重量级成本。
16、对于上述第二及第三方案，第二方案为：“对转双转子提升2倍同步气隙磁场相对转速法”，此方式等效于是通过提升2倍电机转速来获得功率密度提升，电流没有增加，显见此方式对热耗没有影响，所以采用此方式提升功率密度几乎没有制约考虑因素。第三方案为“双向磁通法”，由于电机转矩密度与气隙面积成正比，因此增加有效气隙面积就意味着转矩密度增加，双向磁通可以增加气隙面积约2倍，所以扭矩可以增加约2倍，此方式似乎并没有增大绕组电流(注：由于反电动势增加，所以要保证其功率密度不变其电压需增加2倍)，因而其热耗也没有增加，所以采用此方式提升功率密度也没有电磁范畴制约因素，有空间及元件数量增加，成本会相应增加。
17、总结：显见：上述三种增加能量密度方案，第二种第三种几乎没有制约因素，而第一种如果要采用则需考虑采用更好的散热措施，比如水冷油冷或强化风冷等综合方案。
18、此方案核心创新点，采用“物理空间移位裂相法”，使得可以用直流电或方波或单相交流电代替三相交流电，且采用在电磁力作用元件(绕组及永磁体)力学相位关系进入“扭矩零区时的越中(绕组及磁钢二者作用力进入力矩为零或两侧作用力平衡抵消区域)”问题通过适时断电及双盘相位互补得以圆满解决，而且适时断电也彻底消除了负扭矩效应并节约电能，可以使的转子定子数量相等，使得转子定子的相互作用力点位数密度大大增加，最大限度发挥单位空间内各电磁力作用元件(绕组及永磁体)的功率潜能，提升功率密度。
19、注：上述“物理空间转角位裂相法”或称之为“分盘裂相法”的物理空间分盘并没有从实质上对电流波形进行相位移位裂相，而是针对力矩扭矩范畴而言的裂相越中互补，从而获得稳定可持续的扭矩输出；而电流的裂相或电流方向的换向或波形移位是借助有刷或无刷换向器捕捉转子位置来适时改变电流方向进行换向或亦可以称之为相位移位(例如方波的相位变化)，或者通过外部控制器进行电流相位变化来实现；但是，此方案的意义在于，将绕组密度设计及有效做功密度增大，或者，把三相交流电变为单相交流电或方波交流电或脉动直流电，并通过分盘裂相实现了电磁势能的连续展开，类似回旋加速器一样，转化为连续稳定的单向转矩机械能，所以，其绕组的有效输出功密度大大增加，即：原来需要6槽改为2槽，三相变单相，有效输出功密度增加，且可以用方波进一步提升能量密度。
20、此“物理空间转角位裂相法”、“绕组槽相电流波形凝聚法”、“2倍相对转速法”、“双向磁通法”适用于所有类型电机，可以用于：直流有刷电机、直流无刷电机、永磁同步电机、感应异步电机、开关磁阻电机等；或者，该所述所有方式及组合交叉方式设计的电机可以是径向磁通电机，也可以是轴向磁通电机；或者，也可以是有定子的双转子电机，如绕组固定的内外两侧双转子电机或双内转子或双外转子或内外转子或多转子电机类型，诸如：双转子同-异步电机，鼠笼式双转子电机，对转双转子电机，永磁无刷双转子电机等。上述方法的单独使用或相互交叉组合使用均属本专利保护范围。
21、该电机的功能可以是电动机或发电机。用于发电机可以大大提升发电功率密度。
22、负扭矩现象分析：如果转子已经转过了中位，仍然没有换向或断电，则一定会有负扭矩，不论是电磁力矩还是磁阻力矩均会有；尤其是，对于转子定子数量很多且数量不等方案，采用的是差分原则，则用同一台控制器控制所有串联或并联绕组，很难顾及所有绕组的最佳状态，则会使效率打折扣，而分盘方案则完美解决此问题，使得功率密度大增！
23、所以，对于开关磁阻电机的控制策略为：其双盘或多盘构型模式的控制方式均必须是：越过中位即将远离的磁阻盘在此期间必处于断电状态，靠其他盘把其拉到合适位置时才能给电，此合适位置为：当给电时其产生的磁拉力可以产生正向扭矩的区域；
24、这就是区别，对于电磁扭矩方案，则是只要一换向即可，而磁阻电机则是必须断电，即：通过通电断电的方式来获得类似换向效果，由于磁阻磁拉力与电流方向性无关，即其没有方向性，只有磁阻大小有关，即：总是沿着磁阻最小的趋势运动，所以，其相邻磁极必须有一定空间距离，靠此空间距离来构造出正向扭矩磁拉力，这就是开关磁阻电机磁极布局密度不能太大且必须是凸极原因；但通过分盘设计，将较好解决此问题，且控制系统的设计也简化了开关磁阻电机无磁钢，无需担心退磁问题，所以允许承受温度会更高，加之铁芯良好的导热及充分畅通的通风通道，无需采取水冷，靠风冷即可；启动扭矩大，成本低，低速高速性均好，唯一缺点就是扭矩脉动较大，通过分盘方案及差分效应将获得较为圆满解决。
25、本专利申请所述方案，以4盘架构作为案例分析：对4层盘按照均分一个转角周期角度均分错位布置，将转子定子发生磁阻扭矩的作用时间段空间段分为4份(参见图1～图4的图集说明)，此处暂且分别用a、b、c、d表示，a位的磁拉力最小，d位最大，并将磁力臂因素考虑进去，其不同盘之间的相位差按照此abcd四个相位角度布置，其控制方式分为：1、多组给电，即：凡是正向扭矩的绕组均给电，使得其转子轴在任一相位角度均承载的是a+b+c+d矢量和，从而获得很大的稳定扭矩；2、在任意角度时均让磁拉力最稳定的一相绕组得电，其他则处于断电状态；显见：方案1靠a+b+c+d矢量和产生扭矩，功率密度大，方案2则是以磁阻最小漏磁最小的绕组优先工作，电能转换利用效率高。
26、或者，每层盘的定子转子数量相等，并按照均分角度布置，按照盘数来通电，同盘绕组之间为并联或串联状态，由统一电流回路一体控制(参见图5～图8的图集说明)。
27、或者，通过控制励磁电流大小也可以获得相对稳定的扭矩，因为磁拉力随转子角度变化而改变，所以需适时检测转子位置来控制励磁电流，磁阻较大区域靠大电流补偿，而磁阻小的区域则减小电流，以便获得相对稳定的磁拉力，来稳定扭矩输出(参见图10、11)；或者，将电流波形调制为倒单向锯齿波，来弥补其扭矩脉动；
28、或者，让多盘之间的得电时间进行重叠，当重叠度达到100％(参见图24)，即：达到在任何时间其多盘的总扭矩(多角度扭矩矢量和)均为恒定值，将获得稳定扭矩输出。
29、磁阻电机的作用机理，一旦进入定子转子重叠区则进入恒磁阻状态，所以无负扭矩现象发生，可以用标准方波，多盘之间重叠度接近100％，大大提升功率密度；
30、其电流可以是正弦波交流电、或方波交流电、或直流电或脉动直流电或方波直流电、或三相交流电、单相交流电；
31、为了获得更稳定扭矩，可以调制更加符合扭矩稳定的变波交流电或直流电，以便让电磁扭矩或磁阻扭矩更加稳定，
32、定子转子磁极的相互作用力与其转角变化有关，当其定子转子极由于相互吸引而转动进入重叠区时其磁拉力会部分进入恒磁阻状态(解释：恒磁阻状态，即：二者位置变化或相对运动不改变二者之间的磁阻大小，无磁势能变化，结合在先申请“202211030428.1双转子电机电流动静态物理端口；202211098410.5恒磁阻旋转变压器及铁芯设计制造方法”)状态，但随着定子极转子极旋转其磁极重叠度的变化，其电磁作用力或磁拉力矢量和是在变化的，且磁拉力的力臂也在变化，所以其扭矩会出现波动，为了进一步稳定扭矩，可以通过调制输入电流或电压波形，来补偿弥补其定子转子由于旋转导致的电磁力矩或磁阻力矩的变化，获得稳定的扭矩输出；
33、总之根据具体情况调制电流变化特性，可以进一步稳定扭矩；这样控制会复杂化，
34、但多盘式架构则可以在不改变控制方式前提下获得扭矩的稳定化，如果采用方波则重叠度很大，可以获得分盘模式架构下的扭矩峰值矢量和与不分盘一样，但扭矩脉动则消除了；等效于，诸如：分两盘虽然扭矩减半，但重叠度100％时又补偿回来了且更加稳定了，震动及噪音大幅度下降，其机理类似于发动机的多缸机；
35、负载调速方案说明：
36、上述电机可以靠负载调速(直流有刷无刷电机及交流感应异步及检测装置位置反馈控制的开关磁阻及转子相位闭环永磁同步可以靠负载调速，开环控制的永磁同步不合适)，所以用多档位变速器进行换挡改变传动比，进而改变电机负载实现负载调速，可以去掉变频器等复杂的电机控制系统，为了让电机自适应负载调速范围更宽，可以通过改变电压，例如：对电池采用抽头式取电方案，通过切换电池抽头来获得不同输入电压，例如：可以对电机提供20v、50v、100v、200v、400v、600v、800v等不同电压，可以让电机的负载调速范围更宽；保证电机在最高效区间工作的前提下满足所有路况需求。
1.非差分盘式等极共绕组永磁同步电机及设计方法，包括电机绕组、永磁体、机壳等，其特征是：采用双盘、三盘或多盘结构，将直流电或三相交流电或单相交流电或正弦波交流电或方波交流电进行“裂相”完成电机的连续圆周旋转或直线运动，此具体实施方案可以是针对直流有刷电机，直流无刷电机，永磁同步电机，感应异步电机，开关磁阻电机来完成，由于具有多盘互补效应，转子定子极对数可以相等，可以增加单位空间内的定子转子相互作用力点数密集度，增加电磁力矩或磁阻力矩密度，可以采用方波代替正弦波电流，采用适时对方波换向交错区进行瞬态断电可以有效消除负扭矩，可以大幅度提升电机功率密度，此技术方案同样适用于发电机；
2.根据权利要求1所述的非差分盘式等极共绕组永磁同步电机及设计方法，其特征是：
3.根据权利要求1所述的非差分盘式等极共绕组永磁同步电机及设计方法，其特征是：基于在先申请及同日申请专利“非差分盘式等极共绕组高功率密度电机及设计方法”，在其相关实施案例开关磁阻电机基础上可以将非绕组侧铁芯用永磁体代替，则变为非差分盘式等极共绕组永磁同步电机，具体磁极数量多分布细密度大、共绕组、扭矩稳定等开关磁阻电机及永磁同步电机综合优势；
4.根据权利要求1所述的非差分盘式等极共绕组永磁同步电机及设计方法，其特征是：其相关方案及控制波形的优化方案为：双相波、三相波、四相波、八相波；
5.根据权利要求1所述的非差分盘式等极共绕组永磁同步电机及设计方法，其特征是：其电流动静态物理端口为滚动电刷结构；含绕组的外转子或内转子的电流引入方式为：动态端口、静态端口之间采取非摩擦接触电连接方案，具体包括：流态导体与导电环的“流体电刷”接触方式；或者：采用滚动导体“滚动电刷”接触电传导方式；或者：是恒磁阻环形旋转变压器电磁感应方式；
6.根据权利要求1所述的非差分盘式等极共绕组永磁同步电机及设计方法，其特征是：此方案也可以用于开关磁阻电机，具体包括：非差分三盘式等极共绕组开关磁阻电机，为了防止磁路在正向扭矩相反的反向磁路短路而产生负扭矩，必须保证，转子定子磁极在越过中位时有明显的正向反向磁极气隙差；
7.根据权利要求1所述的非差分盘式等极共绕组永磁同步电机及设计方法，其特征是：上述方案可以是有刷电机形式，或者，也可以用无刷电机控制技术代替换向器；或者用永磁同步电机控制方式，诸如：基于霍尔传感器等位置检测传感器采集电机转子信息，通过igbt及sic、gan材质功率半导体开关组件实现适时电流换向及通断等功能。
8.根据权利要求1所述的非差分盘式等极共绕组永磁同步电机及设计方法，其特征是：
9.根据权利要求1所述的非差分盘式等极共绕组永磁同步电机及设计方法，其特征是：上述方案均可以是换向器型、无刷型，外转子型，双向磁通型、对转双转子型(可加反向机构)、，相关内容参考在先申请；
