提高马达效率的线圈绕组模式的制作方法

提高马达效率的线圈绕组模式
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年5月29日提交的美国临时申请no.62/853,999的优先权，该专利申请通过引用并入本文。


背景技术：

3.血管内血泵，诸如美国马萨诸塞州丹佛市(danvers,ma)的abiomed公司的泵正迅速成为心室辅助设备的当前标准。泵的范围目前包括impella泵、impella泵、impella泵和impella泵。这些泵通过单个进入点(例如，桡动脉进入、股动脉进入、腋动脉进入)经皮插入患者体内，使得泵头可以经由小直径(6
‑
7fr)导管放置在患者体内的期望位置。这样的期望位置包括但不限于患者心脏的左心室或右心室。泵头包括电动马达，该电动马达包括定子绕组，该定子绕组被配置为与转子磁性相互作用以使其旋转，从而导致血液的体积流量通过转子并因此通过患者的心脏。寻求产生良好流速的高效马达。


技术实现要素：

4.目前，泵能够以约2.5至约5.0升/分钟(lpm)的流速输送血液。然而，随着泵在越来越多的外科手术程序中的使用，对将产生的血液流速增加到超过这些水平的需求提出了更高的要求。这意味着电动马达需要更高的转子速度。然而，由于涉及的几何形状小，增加转子速度具有若干牵连(implication)，可能会影响此类小型泵的操作。例如，增加转子速度可能涉及增加电动马达内的热量(焦耳热)的生成。当该设备经皮插入患者体内时，任何此类热量生成的增加都可能对周围组织具有灾难性的影响。另一个考虑因素是施加在设备上的电阻性负载，在这种情况下，对电动马达进行任何修改以实现更高的流速都可能由于电阻损耗而导致马达效率下降。
5.鉴于上述现有技术的缺点，非常需要增加由电动马达产生的流速，同时维持或增加马达的效率。
6.本文公开了用于解决如上所述的现有技术的各种问题和缺点的设备。更具体地，本文公开了用于插入患者体内的血管内血泵。典型地，该设备将定位在患者的脉管系统中，诸如但不限于患者的心脏或主动脉。在一些方面，设备的一部分(例如，设备的泵部分的马达和转子)位于患者的心脏的外部(即，在主动脉中)，并且设备的另一部分(例如，套管)延伸到患者的心脏(例如，左心室)中。虽然本发明的某些方面描述为泵定位在心脏中，但是普通技术人员将理解，泵可以定位在患者的脉管系统的其他位置。对泵定位在患者的心脏中的任何描述都是通过图示说明该设备在患者的脉管系统中的一种可能的放置方式而不是通过限制方式来提供的。血泵包括细长壳体，该细长壳体具有连接到导管的近端和连接到泵的远端，该壳体具有纵向轴线。血泵还包括容纳在壳体内的无槽永磁马达，该马达具有p个磁极对和n个相，其中p为大于零的整数，并且n为≥3的整数。该马达包括具有2np个线圈
的定子绕组，2np个线圈缠绕以形成每相每磁极对两个线圈，使得来自每个相的线圈以序列相顺序周向布置在来自不同相的线圈旁边，该布置沿着定子绕组重复，使得2np个线圈中的每个线圈围绕定子绕组的横截面跨越360/(2np)机械角度。该马达还包括永磁转子，该永磁转子被支撑用于旋转，并且被配置为生成与定子绕组相互作用的磁通量。血泵被配置为使得定子绕组的每相每磁极对两个线圈串联连接，使得通过两个线圈中的第一线圈的电流的方向与两个线圈中的第二线圈中的电流的方向相反，第一线圈中的电流和第二线圈中的电流与转子的磁通量的相反极性相互作用，以产生相同方向的扭矩，从而促进转子的旋转以使血液流经泵。
7.在另一个实施例中，提供了一种无槽永磁电动马达，其具有p个磁极对和n个相，其中p为大于零的整数，并且n为≥3的整数，该马达具有纵向轴线。该马达包括具有2np个线圈的定子绕组，2np个线圈缠绕以形成每相每磁极对两个线圈，使得来自每个相的线圈以序列相顺序周向布置在来自不同相的线圈旁边，该布置沿着定子绕组重复，使得2np个线圈中的每个线圈围绕定子绕组的横截面跨越360/(2np)机械角度。该马达还包括永磁转子，该永磁转子被支撑用于旋转，并且被配置为生成与定子绕组相互作用的磁通量。马达被配置为使得定子绕组的每相每磁极对两个线圈串联连接，使得通过两个线圈中的第一线圈的电流的方向与两个线圈中的第二线圈中的电流的方向相反，第一线圈中的电流和第二线圈中的电流与转子的磁通量的相反极性相互作用，以产生相同方向的扭矩，从而促进转子的旋转。
8.在一些实施方式中，针对偶数值的n，线圈中的每个包括n/2个匝，或者针对奇数值的n，线圈中的每个包括(n
±
1)/2个匝，其中n是常规定子绕组的线圈中的绕组匝数，该常规定子绕组具有np个线圈，np个线圈缠绕以形成每相每磁极对一个线圈，其中n为≥1的整数。在某些实施方式中，每个相串联连接的两个线圈的电阻等于常规定子绕组的单个线圈的电阻。在其他实施方式中，每个相的两个线圈串联连接，使得它们的起始端子或它们的结束端子连接在一起。
9.在某些实施方式中，每个相的两个线圈以星形或三角形配置连接到其他相的线圈。在一些实施方式中，2np个线圈包括螺旋绕组、斜方形绕组、常规绕组和混合绕组中的任一种。在其他实施方式中，定子绕组具有线圈利用率函数(coil usage function)，该函数限定了线圈的相对于定子绕组的纵向长度的竖直分量，该竖直分量与转子的磁场相互作用以有助于在马达中生成的扭矩。在某些实施方式中，对于螺旋线圈绕组，当竖直分量是定子绕组的纵向长度的三分之二时，线圈利用率函数最大化。在一些实施方式中，线圈利用率函数对于所有相具有相同的形式，但是对于每个相偏移360/n电角度。
10.在进一步的实施方式中，线圈利用率函数限定了线圈的相对于定子绕组的纵向长度的竖直分量，该竖直分量有助于在马达中生成的扭矩。在一些实施方式中，马达包括三相两极机。在其他实施方式中，马达包括六线圈两极机，每个线圈围绕定子绕组的横截面跨越60机械角度。在某些实施方式中，该马达生成的扭矩常数比具有常规定子绕组的马达的扭矩常数大约15.5％，该常规定子绕组具有np个线圈，np个线圈缠绕以形成每相每磁极对一个线圈。
11.在其他实施方式中，转子以约1.0lpm至约6.0lpm之间的速率泵送血液。在一些实施方式中，泵可以插入患者的心脏的右心室。在进一步的实施方式中，泵可以插入患者的心脏的左心室。
12.根据本公开的实施例的定子绕组采用如上所述连接的每相每磁极对两个线圈。与具有每相每磁极对一个线圈的定子绕组的常规电动马达相比，这在使用这种定子绕组的电动马达的扭矩常数中提供了15.5％的增加。这种定子配置不会增加定子上的电阻性负载，并且因此减少了电动马达内的焦耳热。实际上，本公开的电动马达提供了具有提高的马达效率的定子线圈绕组模式。
附图说明
13.通过结合附图考虑以下详细描述，上述和其他目的和优点将变得显而易见，在附图中相同的附图标记始终指代相同的部分，并且其中：
14.图1示出根据本公开的实施例的血管内血泵的图示说明性纵向横截面；
15.图2a
‑
图2d示出可以在图1的血泵中采用的本领域已知的示例性线圈绕组模式；
16.图3a示出可以在图1的血泵中采用的本领域已知的常规定子绕组顶端的图示说明性横截面；
17.图3b示出可以在图1的血泵中采用的根据本公开的实施例的定子绕组顶端的图示说明性横截面；
18.图4a示出图示说明性电路示意图，其图示说明了当以星形配置布置时，包括图3a的定子绕组的线圈的电连接；
19.图4b示出根据本公开的实施例的图示说明性电路示意图，其图示说明了当以星形配置布置时，包括图3b的定子绕组的线圈的电连接；
20.图5示出根据本公开的实施例在图1的血泵的操作期间图3b的定子绕组的图示说明性横截面；
21.图6示出根据本公开的实施例的用于图1的血泵的具有三个相和两个极对的电动马达的定子绕组的图示说明性横截面；
22.图7示出根据本公开的实施例的用于图1的血泵的具有五个相和一个极对的电动马达的定子绕组的图示说明性横截面；
23.图8a
‑
图8d示出图3a的常规螺旋绕组的线圈绕组模式；
24.图9a
‑
图9d示出根据本公开的实施例的图3b的螺旋绕组的线圈的线圈绕组模式；
25.图10a示出在操作期间的一个瞬间图3a中的常规定子绕组的一个相的线圈内的电流方向；
26.图10b示出当用于图1的血泵时在图3a中的常规定子绕组的一个相中的线圈利用率的百分比；
27.图11a示出根据本公开的实施例在操作期间的一个瞬间图3b中的定子绕组的一个相的线圈内的电流方向；
28.图11b示出根据本公开的实施例的当用于图1的血泵时在图3b中的定子绕组的一个相中的线圈利用率的百分比；并且
29.图12a
‑
图12d图示说明根据本公开的实施例的采用图3b的定子绕组的血泵的马达的扭矩常数的增加。
具体实施方式
30.为了提供对本文描述的设备的整体理解，将描述某些图示说明性实施例。尽管本文描述的实施例和特征被具体描述为与血管内血泵结合使用，但是应当理解，下面概述的所有部件和其他特征可以以任何合适的方式彼此结合，并且可以被改编和应用于需要具有高转子速度的高效电动马达的其他类型的程序。
31.本文描述的设备和方法涉及用于插入患者体内(即，患者的脉管系统，诸如心脏、主动脉等)的血管内血泵。血泵包括细长壳体，该细长壳体具有连接到导管的近端和连接到泵的远端，该壳体具有纵向轴线。血泵还包括容纳在壳体内的无槽永磁马达，该马达具有p个磁极对和n个相，其中p为大于零的整数，并且n为≥3的整数。该马达包括具有2np个线圈的定子绕组，2np个线圈缠绕以形成每相每磁极对两个线圈，使得来自每个相的线圈以序列相顺序周向布置在来自不同相的线圈旁边，该布置沿着定子绕组重复，使得2np个线圈中的每个线圈围绕定子绕组的横截面跨越360/(2np)机械角度。该马达还包括永磁转子，该永磁转子被支撑用于旋转，并且被配置为生成与定子绕组相互作用的磁通量。血泵被配置为使得定子绕组的每相每磁极对两个线圈串联连接，使得通过两个线圈中的第一线圈的电流的方向与两个线圈中的第二线圈的电流的方向相反，第一线圈中的电流和第二线圈中的电流与转子的磁通量的相反极性相互作用，以产生相同方向的扭矩，从而促进转子的旋转以使血液流经泵。
32.本公开的血管内血泵允许通过结合双螺旋定子绕组提高马达效率。这种定子绕组包括以上述配置连接的每相每磁极对两个线圈。这相比于采用每相每磁极对一个线圈的常规血泵，在扭矩常数方面提供了15.5％的增加。这种定子配置不会增加定子上的电阻性负载，并且因此减少了电动马达内的焦耳热。实际上，本公开的电动马达提供了具有增强的马达效率的定子线圈绕组模式。
33.图1图示说明根据本公开的实施例的用于插入患者体内的示例性血管内血泵100。血泵100包括沿着纵向轴线105布置的马达单元110和泵单元120。马达单元110包括电动马达，该电动马达包括容纳在壳体112内的定子绕组140和转子150。定子绕组140沿着马达单元110的长度从近端142延伸到远端143，并且包括以特定模式缠绕的导线144，其细节将在下面提供。定子绕组140限定中心管腔145，转子150定位在该管腔中。定子绕组140是无槽的，使得导线144缠绕在它们自身上而不是缠绕在常规叠片定子芯上。馈线146、147提供从泵100外部到定子绕组140的必要电连接，用于马达单元110的操作。每根导线144可以具有绝缘涂层(未示出)，并且可选地，缠绕的定子导线144可以由合成环氧树脂(也未示出)包封或包覆成型(over
‑
molded)。
34.在图1中，定子绕组140和壳体112被描绘为分开的部件，然而应当理解，定子绕组140可以被包封在壳体112内以形成单个部件。壳体112包括近端114和远端116。壳体112的近端114联接到导管130的远端134，导管130可以包括柔性管。导管130包括朝向医师延伸的管腔132，用于控制和操作血泵100。
35.转子150包括永磁体152，永磁体152在定子140的中心管腔145内围绕轴153旋转支撑。磁体152可以包括柱形永磁体，其在马达单元110内围绕轴153。轴153从马达单元110延伸到泵单元120中，并且促进叶轮160的旋转以泵送血液。在某些实施方式中，转子150可以包括围绕轴153径向布置的若干永磁体，或者具有其自己的转子绕组的电磁磁体。例如，对
于具有一个极对的马达，磁体152可以包括一个北极n和一个南极s。作为另一示例，对于具有两个极对的马达，磁体152可以包括两个北极n1和n2以及两个南极s1和s2，它们围绕轴153交替布置。
36.此外，虽然图1图示说明了转子150可在定子140内旋转，但是电动马达110可以被配置为使得定子140围绕轴153保持静止，并且转子150被配置为围绕定子140旋转的柱体。轴153沿着马达单元110的长度延伸，并延伸到泵单元120的柱形壳体122中。在一些实施方式中，轴153可以是中空的，并且包括例如用于引导线通过的管腔154。
37.轴153的远端联接到位于泵壳体112内的叶轮160。马达单元110的定子140与转子150之间的相互作用在转子150中生成扭矩，导致轴153旋转，这进而导致叶轮160在柱形泵壳体122中旋转。当这种情况发生时，血液经由轴向吸入开口124被吸入泵中以在轴向方向上输送，血液从开口126横向流出并沿壳体112轴向流动。以这种方式，泵100在患者的心脏内生成血流。
38.图2a
‑
图2d图示说明根据本公开的实施例的示例性定子绕组模式210
‑
213。在图2a
‑
图2d中示出了用于定子中的单根导线(诸如图1中的导线142)的线圈绕组模式，然而应当理解，完整的定子绕组(诸如图1中的定子绕组140)将通过多根类似缠绕的导线围绕马达单元110的纵向轴线(诸如图1中的纵向轴线105)的轴向布置来获得。
39.图2a
‑
图2d图示说明在两极电机中采用的示例性线圈绕组模式，其中一机械角度等于一电角度。图2a
‑
图2d中的线圈绕组模式可以用于形成图1中的马达单元110的定子绕组140。图2a示出常规定子绕组模式210，其中定子中的每根导线214从近端221沿着定子220的长度延伸到远端225。在远端225，导线214对定子的外周跟随180机械角度并返回到近端221。因为导线214的端点都在近端221处结束，常规线圈绕组模式210可能面临端部匝堆叠的问题，其中定子绕组210的近端221处的多个导线端部中的每个都必须电连接到定子馈线，这进而可能导致拥挤和连接问题。图2b示出斜方形定子绕组模式211，其中每根导线215以弯曲配置布置。与图2a中的常规绕组210不同，斜方形绕组包括缠绕多次的一根连续的导线，每个完整的匝轴向偏移以形成定子线圈。斜方形绕组的弯曲配置可能需要后期组装。
40.图2c示出螺旋定子绕组模式212，其中每根导线216围绕定子以椭圆形配置布置。螺旋定子绕组模式212类似于图2b中的斜方形绕组模式211，但是没有弯曲，这简化了线圈缠绕过程。螺旋绕组212是可以容易地形成而无需任何后期组装步骤的一步绕组。图2d示出混合定子绕组模式213，其包括作为如图2a所示的常规绕组和如图2b所示的斜方形绕组的混合体的绕组。这种混合定子绕组允许通过调整线圈的竖直长度x和/或水平角跨度y来实现扭矩与电阻的最佳比率。
41.以下公开在相应定子绕组中使用图2b的螺旋绕组模式212。然而应当理解，本公开中的定子绕组可以采用关于图2a
‑
图2d描述的任何绕组模式。此外，在本公开的一些实施方式中，可以采用任何其他定子绕组模式。
42.本公开的实施例将参考具有每相每永磁极对一个线圈的常规定子绕组来描述。图3a和图3b图示说明用于电动马达的示例性定子绕组(诸如图1中的马达单元110的定子绕组140)的横截面。图3a示出常规定子绕组300，其包括用于具有一个极对(即，一个北极n和一个南极s)的三相电动马达中的每相每永磁极对一个线圈。在本公开中，电动马达的三个相被称为相a、相b和相c。在常规定子绕组300中，每个相包括一个线圈——用于相a的线圈310
(标记为“a”)、用于相b的线圈311(标记为“b”)以及用于相c的线圈312(标记为“c”)。线圈310
‑
312中的每个包括具有多个n匝的绕组，其中n为整数且n>1，其中每个线圈具有相同的匝数。绕组由以特定方式(诸如关于图2a
‑
图2d描述的方式)转动的导线形成，从而导致每个线圈具有起始点和结束点，如图3a中的导线端部320
‑
325所示。将参照具有螺旋线圈的定子绕组来描述本公开的实施例；然而，应当理解，可以采用任何绕组类型。
43.如图3a所示，线圈310
‑
312的横向分布使得它们围绕定子绕组300均匀分布，其中每个线圈围绕定子绕组300的横截面的周界跨越120电角度(在两极电机中等于120机械角度)。虽然定子绕组300用于具有每磁极对一个线圈的三相电动马达，但是对于具有n个相和p个磁极对的一般电动马达，具有每相每磁极对一个线圈的常规定子绕组300的每个线圈将围绕定子绕组的横截面的周界跨越360/(np)机械角度。至于线圈围绕常规定子绕组300的纵向轴线的轴向分布，线圈310
‑
312的绕组被配置为使得它们每个都从定子绕组300的近端(诸如图1中的定子绕组140的近端142)缠绕，朝向远端(诸如图1中的定子绕组140的远端143)纵向延伸并返回到近端。以这种方式，定子绕组300的线圈310
‑
312中的每个有效地包括内层和外层，外层覆盖在内层上，如图3a的横截面所示。在这种配置中，用于线圈310
‑
312中的每个的引线位于定子绕组300的近端以与到电动马达的馈线(诸如图1所示的引线146、147)连接。
44.图3b示出根据本公开的实施例的用于具有一个极对的三相电动马达中的定子绕组350，该定子绕组350包括每相每磁极对两个线圈。利用这种布置，定子绕组350是双线圈绕组，并且当用如图2c所描绘的螺旋线圈实施时，定子绕组350是双螺旋线圈绕组。在定子绕组350中，三相电动马达的每个相a、b和c包括两个线圈。因此，相a包括线圈360(标记为“a1”)和线圈361(标记为“a2”)，相b包括线圈362(标记为“b1”)和线圈363(标记为“b2”)，并且相c包括线圈364(标记为“c1”)和线圈365(标记为“c2”)。参考图3a中的常规定子绕组300，如果每个线圈310
‑
312包括具有n匝的绕组，其中n为整数且n≥1，则对于偶数值的n，定子绕组350的线圈360
‑
365中的每个包括具有n/2匝的绕组，或者对于奇数值的n，定子绕组350的线圈360
‑
365中的每个包括具有(n
±
1)/2匝的绕组，其中每个线圈具有相同的匝数。因此，定子绕组350中的每个线圈包括的匝数约为图3a中的常规定子绕组300中的线圈的匝数的一半。例如，如果常规定子绕组300的线圈310
‑
312各包括100匝，则定子绕组350的线圈360
‑
365将各包括约50匝。每个线圈360
‑
365的绕组匝可以包括任何上述绕组类型，诸如，例如螺旋绕组。
45.线圈360
‑
365的横向分布使得它们围绕定子绕组350均匀分布，其中每个线圈围绕定子绕组350的横截面的周界跨越60机械角度。虽然定子绕组350用于具有每相每磁极对两个线圈的三相电动马达中，但是对于具有n个相和p个磁极对的一般电动马达，具有每相每磁极对两个线圈的本公开的定子绕组350的每个线圈将围绕定子绕组的横截面的周界跨越360/(2np)机械角度。定子线圈350中的线圈的轴向分布类似于常规定子线圈300的轴向分布。线圈围绕定子绕组350的纵向轴线的轴向分布使得线圈360
‑
365的绕组各自从定子绕组350的近端(诸如图1中的定子绕组140的近端142)缠绕，朝向远端(诸如图1中的定子绕组140的远端143)纵向延伸并返回到近端。以这种方式，定子绕组350的线圈360
‑
365中的每个有效地包括内层和外层，外层覆盖在内层上，如图3b的横截面所示。在这种配置中，用于线圈360
‑
365中的每个的引线位于定子绕组300的近端以与到电动马达的馈线(诸如图1所示
的引线146、147)连接。
46.常规定子绕组300中的线圈310
‑
312和本公开的定子绕组350的线圈360
‑
365可以以用于电动马达的任何配置电连接，诸如，例如星形连接或三角形连接。图4a示出以示例性星形配置400连接的图3a中的定子绕组300的线圈310
‑
312。线圈310
‑
312分别表示为它们的电阻性负载ra、rb和rc。在星形配置400中，线圈310的结束点“ae”、线圈311的结束点“be”和线圈330的结束点“ce”连接在一起。线圈310的起始点“as”、线圈311的起始点“bs”和线圈312的起始点“cs”连接到馈线，诸如图1中的血泵100的馈线143、144。以这种方式，星形配置400的每个分支包括对应于定子绕组300中每个相的线圈的单个负载。
47.图4b示出根据本公开的实施例的定子绕组350中的线圈的示例性电连接。这里，线圈360
‑
361分别表示为相a的电阻性负载ra1和ra2，线圈362
‑
363分别表示为相b的电阻性负载rb1和rb2，线圈364
‑
365分别表示为相c的电阻性负载rc1和rc2。如上所述，定子绕组350的线圈360
‑
365各包括定子绕组300的线圈310
‑
312的匝数的一半。因此，双定子绕组350的每个相的电阻性负载与常规定子绕组300的每个相的电阻性负载相同，即ra＝ra1 ra2、rb＝rb1 rb2并且rc＝rc1 rc2。因此，当与常规定子绕组300呈现的负载相比时，定子绕组350的双线圈配置不会在电动马达上放置附加电阻性负载。
48.如图4b的连接图所示，星形配置450的每个分支包括两个线圈，使它们的相同端子连接，即两个线圈背靠背连接。例如，对于相a，分别由电阻性负载ra1和ra2表示的线圈360
‑
361连接，使得结束点“a1e”和“a2e”连接在一起。类似地，分别由电阻性负载rb1和rb2表示的相b的线圈362
‑
363的结束点“b1e”和“b2e”连接在一起，并且分别由电阻性负载rc1和rc2表示的相c的线圈364
‑
365的结束点“c1e”和“c2e”连接在一起。相a的线圈360的电阻性负载ra1的起始点“a1s”、相b的线圈362的电阻性负载rb1的起始点“b1s”以及相c的线圈364的电阻性负载rc1的起始点“c1s”连接到馈线，诸如图1中的血泵100的馈线143、144。另外，相a的线圈361的电阻性负载ra2的起始点“a2s”、相b的线圈363的电阻性负载rb2的起始点“b2s”以及相c的线圈365的电阻性负载rc2的起始点“c2s”连接在一起。
49.本公开的双定子绕组350的线圈360
‑
365的连接方式是重要的，因为它确定了在电动马达的操作期间线圈360
‑
365如何与转子生成的磁通量相互作用。对于如图4b所描绘的星形配置450，流经定子绕组350的线圈a1的电流的方向与流经线圈a2的电流的方向相反。类似地，流经定子绕组350的线圈b1的电流的方向与流经线圈b2的电流的方向相反，并且流经定子绕组350的线圈c1的电流的方向与流经线圈c2的电流的方向相反。这意味着具有流经其中的电流的第一方向的线圈a1与转子的第一极相互作用，而具有流经其中的电流的第二方向(与线圈a1中的电流的第一方向相反)的线圈a2与转子的第二极(与第一极相反)相互作用。另外，具有流经其中的电流的第一方向的线圈b1与转子的第一极相互作用，而具有流经其中的电流的第二方向(与线圈b1中的电流的第一方向相反)的线圈b2与转子的第二极(与第一极相反)相互作用。此外，具有流经其中的电流的第一方向的线圈c1与转子的第一极相互作用，而具有流经其中的电流的第二方向(与线圈c1中的电流的第一方向相反)的线圈c2与转子的第二极(与第一极相反)相互作用。将关于图5描述在操作期间定子绕组350的线圈与转子的磁通量的相互作用。
50.图5图示说明在操作期间沿线x
‑
x’截取的图1的血泵100的示例性横截面500，该血泵100采用三相两极电动马达中的定子绕组350。如前所述，虽然定子绕组350适用于具有每
相每磁极对两个线圈的三相电动马达的操作，但是在本公开的范围内可以使用具有任意数量的相n和磁极对p的电动马达的定子绕组，使得使用的线圈总数达到2np。在图5中，标有“x”的线圈指示流入页面的电流，与页面的平面正交，而标有“·”的线圈指示流出页面的电流，与页面的平面正交。如所图示说明的，相a的线圈360
‑
361如关于图4b所述连接，使得流经线圈360的电流的方向与流经线圈361的电流的方向相反。通过如上所述的线圈360
‑
361的物理布置和电连接，与线圈360相互作用的从永磁定子150生成的磁场的极性和与线圈361相互作用的从永磁定子150生成的磁场的极性相反。
51.类似地，电动马达的相b的线圈362
‑
363连接，使得流经线圈362的电流的方向与流经线圈363的电流的方向相反。通过如上所述的线圈362
‑
363的物理布置和电连接，与线圈362相互作用的从永磁定子150生成的磁场的极性和与线圈363相互作用的从永磁定子150生成的磁场的极性相反。此外，电动马达的相c的线圈364
‑
365连接，使得流经线圈362的电流的方向与流经线圈363的电流的方向相反。通过这种布置，线圈364
‑
365各自从定子的磁极对看到不同的极性。通过如上所述的线圈364
‑
365的物理布置和电连接，与线圈364相互作用的从永磁定子150生成的磁场的极性和与线圈365相互作用的从永磁定子150生成的磁场的极性相反。在操作期间定子绕组350的线圈与转子的磁通量的相互作用生成作用在转子上的扭矩，从而使转子旋转。
52.图6图示说明根据本公开的实施例的用于电动马达的双线圈定子绕组600的横截面的另一示例，该电动马达具有三个相a、b和c以及两个永磁极对n1
‑
s1和n2
‑
s2。根据前述的一般定义，使用定子绕组600的电动马达具有n＝3和p＝2。如关于图4a中的定子绕组350所讨论的，定子绕组600还包括每相每磁极对两个线圈，导致总共12个线圈610
‑
621。在定子绕组600中，由于电动马达中存在两个磁极对，三相电动马达的每个相a、b和c包括两个线圈。因此，相a包括线圈610
‑
613(分别标记为“a1”、“a2”、“a3”和“a4”)，相b包括线圈614
‑
617(分别标记为“b1”、“b2”、“b3”和“b4”)，并且相c包括线圈618
‑
621(分别标记为“c1”、“c2”、“c3”和“c4”)。如图6所示，来自每个相的线圈以序列相顺序周向布置在来自不同相的线圈旁边，并且该布置沿着定子绕组重复，使得每个线圈围绕定子绕组600的横截面跨越360
°
/(2np)＝360
°
/(2x3x2)＝30
°
。
53.与定子绕组350的线圈一样，线圈610
‑
621可以以星形或三角形配置电连接，其中(i)相a的线圈610
‑
613背靠背连接，它们的类似端子沿着星形或三角形连接的相a的分支在一起，(ii)相b的线圈614
‑
617背靠背连接，它们的类似端子沿着星形或三角形连接的相b的分支在一起，并且(iii)相c的线圈618
‑
621背靠背连接，它们的类似端子沿着星形或三角形连接的相c的分支在一起。通过这种电连接，(i)流经线圈a1和a3的电流的方向与流经线圈a2和a4的电流的方向相反，(ii)流经线圈b1和b3的电流的方向与流经线圈b2和b4的电流的方向相反，以及(iii)流经线圈c1和c3的电流的方向与流经线圈c2和c4的电流的方向相反。
54.以这种方式，具有流经其中的电流的第一方向的线圈a1与转子的第一极n1相互作用，具有流经其中的电流的第二方向(与线圈a1中的电流的第一方向相反)的线圈a2与转子的第二极s1(与第一极n1相反)相互作用，具有流经其中的电流的第一方向的线圈a3与转子的第三极n2相互作用，并且具有流经其中的电流的第二方向(与线圈a3中的电流的第一方向相反)的线圈a4与转子的第四极s2(与第三极n2相反)相互作用。类似地，具有流经其中的电流的第一方向的线圈b1与转子的第一极n1相互作用，具有流经其中的电流的第二方向
(与线圈b1中的电流的第一方向相反)的线圈b2与转子的第二极s1(与第一极n1相反)相互作用，具有流经其中的电流的第一方向的线圈b3与转子的第三极n2相互作用，并且具有流经其中的电流的第二方向(与线圈b3中的电流的第一方向相反)的线圈b4与转子的第四极s2(与第三极n2相反)相互作用。最后，具有流经其中的电流的第一方向的线圈c1与转子的第一极n1相互作用，具有流经其中的电流的第二方向(与线圈c1中的电流的第一方向相反)的线圈c2与转子的第二极s1(与第一极n1相反)相互作用，具有流经其中的电流的第一方向的线圈c3与转子的第三极n2相互作用，并且具有流经其中的电流的第二方向(与线圈c3中的电流的第一方向相反)的线圈c4与转子的第四极s2(与第三极n2相反)相互作用。在操作期间定子绕组600的线圈与转子的磁通量的相互作用生成作用在转子上的扭矩，该扭矩导致转子旋转。
55.图7图示说明根据本公开的实施例的用于电动马达的双线圈定子绕组700的横截面的另一示例，该电动马达具有五个相a、b、c、d和e以及一个永磁极对n
‑
s。根据前述一般定义，使用定子绕组700的电动马达具有n＝5和p＝1。如关于定子绕组350和600所讨论的，定子绕组700还包括每相每磁极对两个线圈，导致总共10个线圈710
‑
719。相a包括线圈710
‑
711(分别标记为“a1”和“a2”)，相b包括线圈712
‑
713(分别标记为“b1”和“b2”)，相c包括线圈714
‑
715(分别标记为“c1”和“c2”)，相d包括线圈716
‑
717(分别标记为“d1”和“d2”)，并且相e包括线圈718
‑
719(分别标记为“e1”和“e2”)。如图7所示，来自每个相的线圈以序列相顺序周向布置在来自不同相的线圈旁边，并且该布置沿着定子绕组700重复，使得每个线圈围绕定子绕组700的横截面跨越360
°
/(2np)＝360
°
/(2x5x1)＝36
°
。
56.与定子绕组350和600的线圈一样，线圈710
‑
719可以以星形或三角形配置电连接，其中(i)相a的线圈710
‑
711背靠背连接，它们的类似端子沿着星形或三角形连接的相a的分支在一起，(ii)相b的线圈712
‑
713背靠背连接，它们的类似端子沿着星形或三角形连接的相b的分支在一起，(iii)相c的线圈714
‑
715背靠背连接，它们的类似端子沿着星形或三角形连接的相c的分支一起，(iv)相d的线圈716
‑
717背靠背连接，它们的类似端子沿着星形或三角形连接的相d的分支在一起，并且(v)相e的线圈718
‑
719背靠背连接，它们的类似端子沿着星形或三角形连接的相e的分支一起。通过这种电连接，(i)流经线圈a1的电流的方向与流经线圈a2的电流的方向相反，(ii)流经线圈b1的电流的方向与流经线圈b2的电流的方向相反，(iii)流经线圈c1的电流的方向与流经线圈c2的电流的方向相反，(iv)流经线圈d1的电流的方向与流经线圈d2的电流的方向相反，并且(v)流经线圈e1的电流的方向与流经线圈e2的电流的方向相反。
57.以这种方式，具有流经其中的电流的第一方向的线圈a1与转子的第一极n相互作用，并且具有流经其中的电流的第二方向(与线圈a1中的电流的第一方向相反)的线圈a2与转子的第二极s(与第一极n相反)相互作用。类似地，具有流经其中的电流的第一方向的线圈b1与转子的第一极n相互作用，并且具有流经其中的电流的第二方向(与线圈b1中的电流的第一方向相反)的线圈b2与转子的第二极s(与第一极n相反)相互作用。此外，具有流经其中的电流的第一方向的线圈c1与转子的第一极n相互作用，并且具有流经其中的电流的第二方向(与线圈c1中的电流的第一方向相反)的线圈c2与转子的第二极s(与第一极n相反)相互作用。具有流经其中的电流的第一方向的线圈d1与转子的第一极n相互作用，并且具有流经其中的电流的第二方向(与线圈d1中的电流的第一方向相反)的线圈d2与转子的第二
极s(与第一极n相反)相互作用。最后，具有流经其中的电流的第一方向的线圈e1与转子的第一极n相互作用，并且具有流经其中的电流的第二方向(与线圈e1中的电流的第一方向相反)的线圈e2与转子的第二极s(与第一极n相反)相互作用。在操作期间定子绕组700的线圈与转子的磁通量之间的相互作用生成作用在转子上的扭矩，该扭矩导致转子旋转。
58.将通过返回参考图5来描述操作期间在定子绕组350的线圈中流动的电流与两极转子的磁通量密度的相互作用。如关于图1所述，转子150在使用时持续旋转。图5描绘了转子150在转子如图所示径向定位时瞬间的位置，并且流经定子绕组350的线圈的电流的方向如图所示。在图示说明的位置中，永磁转子150产生磁通量密度b，其由包括磁场线510的磁场模式表示。磁场线510开始于转子150的北极n并结束于南极s。根据楞次定律，磁通量密度b与定子绕组在垂直于磁通量密度b的方向上的长度l之间的相互作用在转子150内生成使其旋转的扭矩t，由以下等式支配：
[0059][0060]
其中是平行于转子150的纵向轴线105的方向，是磁通量密度的径向分量，即垂直于转子150的纵向轴线105，是平行于马达转子的纵向通路的线圈绕组的竖直分量，并且
×
表示矢量叉积。因此，定子绕组350中的电流流动导致转子150围绕纵向轴线105旋转，这进而导致联接到转子轴153的远端的叶轮160的对应旋转。
[0061]
图8a图示说明在三相两极电动马达中使用期间的常规定子绕组300，其中一个电角度等于一个机械角度。图表的水平轴线表示沿着定子绕组300的周界的角位置，并且竖直轴线表示从定子绕组300的远端移动到近端的定子绕组300的纵向长度。如前所述，线圈310
‑
312中的每个包括以特定方式缠绕的多根导线，诸如，例如图2c的螺旋绕组。在图8a中，导线被螺旋缠绕，并且线圈310
‑
312中的每个被示出为布置在定子绕组300的近端(图表的顶端)与远端(图表的底端)之间的带。由于螺旋线圈310
‑
312被缠绕的方式，图8a中的每个带交叠以形成定子绕组300。为了改善可视性，图8b
‑
图8d图示说明当分开观察时定子绕组300中的相a、相b和相c的线圈310
‑
312的每个绕组模式——当如图8b
‑
图8d所示的线圈交叠时，产生如图8a所示的定子绕组300。另外，应当注意，虽然表示线圈310
‑
312的每个带包括多根导线，但是在图8a
‑
图8d中每个线圈仅示出九根代表性导线。线圈310
‑
312中的每个的导线端部或引线320
‑
325也示出在定子绕组300的近端。每根引线320
‑
325上所示的方向表示形成相应线圈310
‑
312的导线的缠绕方向。例如，引线320上指示的方向表示形成绕组310的导线的起始点，引线321指示形成绕组310的导线的结束点。线圈310
‑
312以角对称的方式布置在定子绕组300中，使得来自每个相的线圈以序列相顺序周向布置在来自不同相的线圈旁边，从而产生如图8a所示的定子绕组模式。定子绕组300的线圈310
‑
312中的每个的线圈跨度为360
°
/(np)＝360
°
/(3x1)＝120
°
。
[0062]
在电动马达的操作期间，来自马达控制器的电流经由连接到导线端部320
‑
325的馈线(例如图1中的馈线146
‑
147)穿过定子绕组300，使得流经线圈310
‑
312中的每个的电流的大小相同。当线圈310
‑
312以它们在定子绕组300内的布置交叠时，每个线圈中的电流的影响(effect)可能受到相邻或交叠线圈中的电流的干预(influenced)。因此，由于线圈310
‑
312在定子绕组中的物理布置，通过定子绕组300的所有线圈310
‑
312的电流的净影响被抵消。这种影响将关于图10a进一步讨论。
[0063]
图10a仅图示说明使用期间的定子绕组300的线圈310(线圈a)。线圈a对应于相a。线圈310被示出为仅包括五根代表性绕组导线910
‑
914，然而应当理解，线圈310包括形成带的多根导线(如图8a所示)。可以看出，当导线缠绕在定子绕组300的近端与远端(诸如图1所示的近端142和远端143)之间时，绕组导线910
‑
914中的每个中的电流所经过的路径具有交叠区域。例如，由于线圈310中的导线910
‑
914的缠绕方向，导线910
‑
914中的电流流入三角形区域920，并且然后转向并离开三角形区域920。当导线910
‑
914转向并离开三角形区域920时，导线中的电流的纵向分量改变。这在图10a中示出，其中进入三角形区域920的导线914中流动的电流i具有方向分量i
z
和i
θ
(分别为纵向分量和角度分量)。当离开三角形区域920时，电流i改变方向并具有方向分量
‑
i
z
和i
θ
。因此，离开三角形区域920的电流的纵向分量
‑
i
z
与进入三角形区域920的电流的纵向分量i
z
相反。类似地，导线910
‑
914中的电流流入三角形区域930，并且然后转向并离开区域930。当导线910
‑
914转向并离开三角形区域930时，导线中的电流的纵向分量改变，并且与进入三角形区域930的导线中的电流的纵向分量完全相反。因为导线910
‑
914中的电流大小相同，并且电流的纵向分量在进入和离开三角形区域920和930时彼此完全相反，所以导线910
‑
914中的电流的纵向分量(由图10a中的箭头940
‑
942表示)对转子的影响在三角形区域920和930中抵消，即如图10a所示i
z
‑
i
z
＝0。因此，根据等式(1)，三角形区域920和930中的导线910
‑
914中的电流的纵向分量并不有助于在转子中产生的扭矩。
[0064]
如等式(1)所述，转子150内生成的扭矩t取决于线圈的载流导线在平行于转子150的纵向轴线105的方向上的纵向长度l。因此，只有图10a中的导线910
‑
914的竖直方向分量有助于转子内生成的扭矩t。导线910
‑
914的竖直分量可以通过在图10a中绘制竖直线并确定在导线910
‑
914与该竖直线的交点处导线910
‑
914中流动的纵向分量电流的方向来容易地可视化。
[0065]
线圈中的导线的机械布置对生成的扭矩t的贡献由线圈利用率函数950描述，如图10b所示。在图10a中可以看到有助于转子中的扭矩t的导线910
‑
914的竖直分量，其中运载具有在相反方向上的纵向分量的电流的导线910
‑
914不交叠。例如，对于围绕定子绕组300的120
°
至180
°
的线圈角位置θ，没有导线交叠，并且在导线910
‑
914中流动的电流具有在相同方向上的纵向分量，然而在分别围绕定子绕组300的60
°
和240
°
的线圈角位置θ处，导线交叠并且在交叠的导线910
‑
914中流动的电流的纵向分量处于完全相反的方向。
[0066]
因此，当在导线910
‑
914中流动的电流的纵向分量处于相同方向时，线圈利用率函数处于其最大值，如在图10b中围绕定子绕组300的120
°
≤θ≤180
°
和300
°
≤θ≤360
°
可以看到的，其中没有运载具有在相反方向上的纵向分量的电流的交叠导线。该最大值为三相两极电动马达的定子绕组300的全长的约2/3，如图10b所示，其中线圈利用率在约66.7％处最大。线圈利用率函数在围绕定子绕组300的θ＝60
°
和θ＝240
°
处为零，其中导线交叠，并且交叠的导线中的电流的纵向分量相等但方向相反。为了完整起见，对于0
°
<θ<60
°
、60
°
<θ<120
°
、180
°
<θ<240
°
和240
°
<θ<300
°
，导线910
‑
915与具有在相反方向上的纵向分量的电流部分交叠，导致对转子中生成的扭矩t有一些贡献。这可以在图9b中看到，其中对于0
°
<θ<60
°
、60
°
<θ<120
°
、180
°
<θ<240
°
和240
°
<θ<300
°
，线圈利用率随着θ线性变化。
[0067]
图9a图示说明在操作期间的一个瞬间在三相两极电动马达中使用期间的根据本公开的实施例的定子绕组350。如上所述，线圈360
‑
365使用螺旋绕组缠绕，诸如图2c的螺旋
绕组212，然而可以使用任何绕组类型。在图9a中，线圈360
‑
365被示出为布置在定子绕组350的近端(图表的顶端)与远端(图表的底端)之间的带。由于螺旋线圈360
‑
365被缠绕的方式，图9a中的每个带交叠以形成定子绕组350。与图8b
‑
图8d一样，为了改善可视性，图9b
‑
图9d图示说明当分开观察时定子绕组350中的相a、相b和相c的线圈360
‑
365的每个绕组模式——当如图9b
‑
图9d所示的线圈交叠时，产生如图9a所示的定子绕组350。另外，应当注意，虽然表示线圈360
‑
365的每个带包括多根导线，但是在图9a
‑
图9d中每个线圈仅示出五根代表性导线。线圈360
‑
365中的每个的导线端部或引线也被示出在定子绕组350的近端，箭头指示形成相应线圈360
‑
365的导线的缠绕方向。
[0068]
线圈360
‑
365以角对称的方式布置在定子绕组350中，使得来自每个相a、b和c的线圈以序列相顺序周向布置在来自不同相的线圈旁边，从而产生如图9a所示的定子绕组模式。如前所述，本公开涉及具有每相每磁极对两个线圈的定子绕组。因此，在图9a
‑
图9d中，相a在图9b中被示出为包括线圈360
‑
361，相b在图9c中被示出为包括线圈362
‑
363，并且相c被示出为包括线圈364
‑
365。定子绕组350的线圈360
‑
365中的每个的线圈跨度为360
°
/(2np)＝360
°
/(2x3x1)＝60
°
。
[0069]
在电动马达的操作期间，来自六步直流控制器(未示出)的直流电流经由连接到定子绕组350的近端处的引线的馈线(诸如图1中的馈线146
‑
147)穿过定子绕组350，使得流经线圈360
‑
365中的每个的电流的大小相同。当线圈360
‑
365以它们在定子绕组350内的布置交叠时，每个线圈中的电流影响可能受到相邻或交叠线圈中的电流的干预。与图8a所示的常规定子绕组300不同，由于定子绕组350中线圈的物理布置，通过线圈360
‑
365的电流的影响不会抵消。
[0070]
图11a仅图示说明使用期间根据本公开的实施例的定子绕组350的线圈360
‑
361(线圈a1和a2)。线圈a1和a2对应于相a。线圈360被示出为包括五根代表性绕组导线1010
‑
1014，并且线圈361被示出为包括五根代表性绕组导线1015
‑
1019，然而应当理解，线圈360
‑
361中的每个包括形成带的多根导线(如图9a所示)。可以看出，当导线缠绕在定子绕组350的近端与远端(诸如图1所示的近端142和远端143)之间时，绕组导线1010
‑
1019中的每个中的电流所经过的路径具有交叠区域。例如，导线1010
‑
1014中的电流流入三角形区域1020和1021，并且然后转向并离开三角形区域1020
‑
1021。类似地，导线1015
‑
1019中的电流流入三角形区域1022
‑
1023，并且然后转向并离开三角形区域1022
‑
1023。
[0071]
如关于图10a所述，当导线1010
‑
1014转向并离开三角形区域1020
‑
1021时，以及当导线1015
‑
1019转向并离开三角形区域1022
‑
1023时，相应导线中的电流的纵向分量改变。在导线1010
‑
1014中，(i)流出三角形区域1020的电流的纵向分量与流入三角形区域1020的电流的纵向分量相反，以及(ii)流出三角形区域1021的电流的纵向分量与流入三角形区域1021的电流的纵向分量相反。当导线1010
‑
1014转向并离开三角形区域1020
‑
1021时，导线中的电流的纵向分量改变，并且与进入三角形区域1020
‑
1021的导线中的电流的纵向分量完全相反。
[0072]
类似地，在导线1015
‑
1019中，(iii)流出三角形区域1022的电流的纵向分量与流入三角形区域1022的电流的纵向分量相反，以及(iv)流出三角形区域1023的电流的纵向分量与流入三角形区域1023的电流的纵向分量相反。当导线1015
‑
1019转向并离开三角形区域1022
‑
1023时，导线中的电流的纵向分量改变，并且与进入三角形区域1022
‑
1023的导线
中的电流的纵向分量完全相反。因为导线1010
‑
1019中的电流的大小相同，并且电流的纵向分量在进入和离开三角形区域1020
‑
1023时彼此完全相反，所以导线1010
‑
1019中的电流的影响(由图11a中的箭头1040
‑
1043表示)在区域1020
‑
1023中抵消，即如图11a所示i
z
‑
i
z
＝0。
[0073]
然而，由于定子绕组350具有每相每磁极对两个线圈，即双绕组，线圈360
‑
361还包括附加菱形交叠区域1030
‑
1031。如图11a所示，这些菱形交叠区域远离线圈360
‑
361的近端或远端出现。实际上，这些菱形区域实际上是当来自线圈a1和a2的带相互交叠时产生的背靠背三角形区域。在这些菱形区域中，导线1010
‑
1019中电流的纵向分量沿一个方向流入区域1030
‑
1031，并且然后沿相同方向离开区域1030
‑
1031。因为导线1010
‑
1019中的电流的大小相同，并且电流的纵向分量在区域1030
‑
1031中彼此相同，所以由图11a中的箭头1040
‑
1043表示的导线1010
‑
1019中的电流影响不会抵消，而是在区域1030
‑
1031中相加，即如图11a所示的i
z
i
z
＝2i
z
。这些菱形交叠区域1030
‑
1031(其中流经导线1010
‑
1019的电流的纵向分量的影响没有抵消)增加了相a的线圈利用率。这些区域1030
‑
1031是有效的正区，其增强了定子线圈350的性能。虽然图11a描述定子绕组350的相a的线圈360
‑
361中的电流的影响，但是从定子绕组350的相b和相c的线圈362
‑
365中的电流将看到类似的影响。
[0074]
应当注意，在根据本公开的实施例的定子绕组350中，区域1020
‑
1023实际上是死区，其中流经绕组的电流的影响抵消。与常规定子绕组300的区域920和930相比，这些死区小得多。同时，由于定子绕组350被形成的方式，形成了附加正区，这改善了定子绕组350的性能。
[0075]
如关于等式(1)所述，转子150内生成的扭矩t取决于线圈的载流导线在平行于转子150的纵向轴线105的方向上的纵向长度l。实际上，只有图11a中的导线1010
‑
1019的竖直方向分量有助于转子内生成的扭矩t。导线1010
‑
1019的竖直分量可以通过在图11a上绘制竖直线并确定在与该竖直线相交的导线1010
‑
1019中流动的电流的方向来容易地可视化。
[0076]
线圈350中的导线的机械布置对生成的扭矩t的贡献由线圈利用率函数1050描述，如图11b所示。有助于转子150中的扭矩t的导线1010
‑
1019的竖直分量可以在图11a中看到，其中运载具有在相反方向上的纵向分量的电流的导线1010
‑
1019不交叠。例如，对于围绕定子绕组350的60
°
≤θ≤180
°
，在导线1010
‑
1019中流动的电流具有在相同方向上的纵向分量(尽管导线在区域1030和1031中交叠)，然而在分别围绕定子绕组350的30
°
和210
°
线圈角位置θ处，导线交叠并且在交叠的导线1010
‑
1019中流动的电流的纵向分量处于完全相反的方向。
[0077]
因此，当在导线1010
‑
1019中流动的电流的纵向分量处于相同方向时，线圈利用率函数处于其最大值，如图11b中围绕定子绕组350的60
°
≤θ≤180
°
和240
°
≤θ≤360
°
可以看到的，其中没有运载具有在相反方向上的纵向分量的电流的交叠导线。与定子绕组300一样，该最大值为三相两极电动马达的定子绕组350的全长的约2/3，如图11b所示，其中线圈利用率在约66.7％处最大。应当注意，定子绕组350(对于线圈角度范围(120
°
))的最大线圈利用率是定子绕组300(对于线圈角度范围(60
°
))的最大线圈利用率的两倍。在围绕定子绕组350的θ＝30
°
和θ＝210
°
处线圈利用率函数为零，其中导线交叠，并且交叠的导线中电流的纵向分量相等但方向完全相反。为了完整起见，对于0
°
<θ<30
°
、30
°
<θ<60
°
、180
°
<θ<210
°
和210
°
<θ<240
°
，导线1010
‑
1019部分交叠，导致对转子中生成的扭矩t有一些贡献。这可以在图11b中看到，其中对于0
°
<θ<30
°
、30
°
<θ<60
°
、180
°
<θ<210
°
和210
°
<θ<240
°
，线圈利用率
随着θ线性变化。
[0078]
图12a分别图示说明常规定子绕组300的所有三个相a、b和c的线圈利用率函数1100
‑
1102。图12a中的每个相的利用率函数与图10b中所示的相同。图12b分别图示说明根据本公开的实施例的定子绕组350的所有三个相a、b和c的线圈利用率函数1110
‑
1112。图12b中的每个相的利用率函数与图11b中所示的相同。图12a
‑
图12b中所示的利用率函数在形状上对于所有三个相都是相似的，并且每个相的曲线从前一个相偏移120
°
。图12c图示说明关于具有一个磁极对的电动马达的定子绕组的角位置的磁通量密度b在瞬间的变化。当电动马达的磁性转子适时旋转时，图12c的磁通量密度曲线将具有相同的形状，但将随着北极和南极围绕转子150的纵向轴线105旋转而沿着水平轴线移动。
[0079]
根据图12a
‑
图12c并使用楞次定律(等式(1))，可以通过使用以下关系式来确定在常规定子绕组300和本公开的定子绕组350中生成的扭矩t：
[0080][0081]
其基本上是图12c中磁通量密度曲线下方的面积乘以图12a
‑
图12b中相应线圈利用率函数。根据定义，扭矩常数k
t
是每单位电流i的扭矩t，并且因此可以使用以下关系式确定扭矩常数：
[0082][0083]
图12d示出对于一个完整的扭矩循环，在常规定子绕组300(标记为“1x螺旋”)和根据本公开的实施例的定子绕组350(标记为“2x螺旋”)中生成的最终扭矩常数k
t
。使用六步直流马达控制器，一个完整的扭矩循环跨越60
°
。如图12d所示，对于电动马达的一个扭矩循环，双线圈定子绕组350的扭矩常数比常规定子绕组300的扭矩常数增加约15.5％。“约”的意思是该值易受约20％的变化的影响，即由本公开的双螺旋定子绕组350带来的扭矩增加可以在12.4％至18.6％的范围内。“约”的这种定义适用于本公开中的任何其他叙述。在本公开的一些实施方式中，扭矩的增加可以是至少约15.5％。
[0084]
表1示出两个血泵的代表性数据，这两个血泵具有带有单螺旋定子绕组和双螺旋定子绕组的三相两极电动马达。具体而言，单螺旋定子绕组类似于前面描述的常规定子绕组300，用如图2c所示的螺旋绕组类型212实施。双螺旋定子绕组类似于前面描述的定子绕组350，也用螺旋绕组类型实施。可以看出，双螺旋定子绕组导致电动马达具有与常规单螺旋绕组相同的5.25ω/相的线圈电阻，并且具有1.182
×
10
‑3n
·
m/a的增加的扭矩常数，即比常规单螺旋绕组增加15.5％。值得注意的是，双螺旋定子绕组的线圈中的平均电流下降了约13.3％，因此表明双螺旋定子绕组的线圈内的热量也下降了(因为线圈电阻没有改变)。表1中的结果证实，根据本公开的实施例的双螺旋定子绕组改善了电动马达的效率，并且因此改善了采用这种定子绕组的血泵的效率。采用包括每相每永磁极对两个线圈的上述定子绕组的血泵被配置为以约1.0lpm和约6.0lpm的流速操作，其中“lpm”表示每分钟升数。
[0085]
定子线圈类型单螺旋双螺旋扭矩常数(n
·
m/a)
×
10
‑31.0231.182每相线圈电阻(ω)5.255.25平均电流(a)
×
10
‑3919796
[0086]
表1具有各种定子线圈配置的血泵的性能
[0087]
前述仅是对本公开原理的图示说明，并且设备和方法可以通过所描述的实施方式之外的其他实施方式来实践，所描述的实施方式被呈现用于图示说明而非限制的目的。应当理解，本文描述的设备虽然是针对用于血泵的电动马达的双螺旋定子绕组示出的，但是可以应用于期望具有增加的扭矩和高马达效率的电动马达的其他系统。
[0088]
在前述公开中，应当理解，术语“约”应被视为意味着所述值的
±
20％。此外，术语电动马达应被视为与术语电机同义，如本领域中众所周知的。除非另有说明，否则所有度(单位为
°
)的测量都应被视为机械角度。
[0089]
在阅读本公开之后，本领域技术人员将想到变化和修改。公开的特征可以以任何组合和子组合(包括多个从属组合和子组合)的方式与本文描述的一个或多个其他特征一起实施。上面描述或图示说明的各种特征(包括其任何部件)可以组合或集成在其他系统中。此外，某些特征可以省略或不实施。
[0090]
变化、替换和变更的示例可以由本领域技术人员确定，并且可以在不脱离本文公开的信息的范围的情况下进行。本文引用的所有参考文献都通过引用整体并入并成为本技术的一部分。