專利名稱：包括低損耗材料的軸向氣隙電氣裝置的定子線圈裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)器；特別涉及軸向氣隙的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)器，所述機(jī)器包括轉(zhuǎn)子組件和定子組件，所述定子組件包括堆疊式定子線圈裝置。
背景技術(shù)：
電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)工業(yè)一直在尋找提供具有增加的效率和功率密度的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)器。如本文中使用的一樣，術(shù)語(yǔ)“電機(jī)”指各種將電能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或相反的電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)。這些機(jī)器包括那些可選作為電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)或再生電動(dòng)機(jī)使用的裝置。術(shù)語(yǔ)“再生電動(dòng)機(jī)”在這里用作指代可作為電動(dòng)機(jī)或作為發(fā)電機(jī)工作的裝置。已知有多種電動(dòng)機(jī)，包括永磁式、繞線磁極式、感應(yīng)式、可變磁阻式、開關(guān)磁阻式以及有刷或無(wú)刷式電動(dòng)機(jī)。它們可直接由電力線路、電池或其他替代電源提供的直流或交流電源激勵(lì)?；蛘撸鼈円部捎呻娮域?qū)動(dòng)線路合成的具有所需波形的電流供電。從任意機(jī)械源得到的旋轉(zhuǎn)能可驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)的輸出可直接連接到負(fù)載上或使用電源電路調(diào)整。給定的機(jī)器可選連接在機(jī)械源上，所述機(jī)械源可在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的不同時(shí)期用作源或機(jī)械能量容器。因此，該機(jī)器可用作再生發(fā)動(dòng)機(jī)，如通過(guò)使用可進(jìn)行四象限工作的電源調(diào)整線路連接。
旋轉(zhuǎn)機(jī)器一般包括通常稱為定子的靜止部件和通常稱為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)部件。轉(zhuǎn)子和定子的相鄰面被穿過(guò)了連接轉(zhuǎn)子和定子的磁通的小氣隙隔開。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，旋轉(zhuǎn)機(jī)器可包括多個(gè)機(jī)械連接起來(lái)的轉(zhuǎn)子和多個(gè)定子。事實(shí)上，所有旋轉(zhuǎn)機(jī)器均可按照慣例分為徑向或軸向氣隙類型。徑向氣隙類型中的轉(zhuǎn)子和定子沿徑向分隔開，貫穿的磁通量主要指向垂直于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的方向。在軸向氣隙裝置中，轉(zhuǎn)子和定子沿軸向間隔開且磁通的貫穿方向主要平行于旋轉(zhuǎn)軸。
除了某些專用類型，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)通常使用一種或多種軟磁材料?！败洿挪牧稀笔侵负苋菀浊腋叨鹊卮呕腿ゴ诺牟牧?。每個(gè)磁化循環(huán)中磁性材料無(wú)法避免要損耗的能量稱為磁滯損耗或鐵耗。磁滯損耗的量值是激勵(lì)振幅和頻率兩者的函數(shù)。
軟磁材料還呈現(xiàn)出高的磁導(dǎo)率和低的磁矯頑力。電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)還包括由一個(gè)或多個(gè)永磁體或繞有載流線圈的附加軟磁材料提供的磁動(dòng)勢(shì)源?！坝来挪牧稀?，也稱為“硬磁材料”，是指具有高的磁矯頑力并強(qiáng)烈保持其磁性且抗去磁的磁性材料。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的類型的不同，永磁和軟磁材料可安置在轉(zhuǎn)子或定子上。
到目前為止，目前生產(chǎn)的大部分電動(dòng)機(jī)采用各種級(jí)別的電子或電動(dòng)機(jī)鋼作為軟磁材料，電子或電動(dòng)機(jī)鋼是鐵和一種或多種合金元素特別包括Si、P、C和Al的合金。最常見地，Si是主要的合金元素。雖然一般認(rèn)為由高級(jí)永磁材料構(gòu)成轉(zhuǎn)子且由高級(jí)低損耗軟磁材料如非晶金屬構(gòu)成定子的電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)與其他常規(guī)徑向氣隙電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)相比有可能提供更高的效率和功率密度，但現(xiàn)在還沒有成功制造這種軸向或徑向氣隙的機(jī)器。先前將非晶金屬用于常規(guī)徑向或軸向氣隙機(jī)器的嘗試在商業(yè)上基本都失敗了。早先的設(shè)計(jì)主要包括將定子和/或轉(zhuǎn)子用線圈或通常在內(nèi)外表面間切割出齒的非晶金屬迭片替換。非晶金屬具有獨(dú)特的磁性和機(jī)械性質(zhì)，使得它很難或不可能直接替換常規(guī)設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)中的普通鋼。
現(xiàn)今工藝中的一些應(yīng)用，包括各種不同領(lǐng)域如高速機(jī)床、航空發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)器以及壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器，需要可高速(如高rpm)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，這些電機(jī)的速度許多情況下超過(guò)15,000-20,000rpm，一些情況下可達(dá)100,000rpm。高速電動(dòng)機(jī)幾乎總是制成低磁極數(shù)，以免電動(dòng)機(jī)中工作在高頻的磁性材料承受過(guò)高的鐵耗，這將造成低效的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。這主要是由于現(xiàn)今大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的軟磁材料是硅-鐵合金(Si-Fe)。眾所周知，以高于約400Hz的頻率改變常規(guī)基于Si-Fe的材料中的磁場(chǎng)引起的損耗會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)熱，時(shí)常到達(dá)無(wú)法使用任何容許的方法使裝置冷卻的程度。
目前為止，已證明很難有效地提供利用低損耗材料的容易生產(chǎn)的電氣裝置。先前在常規(guī)機(jī)器中采用低損耗材料的嘗試基本都失敗了，原因是早先的設(shè)計(jì)通常僅僅依賴于用新的軟磁材料如非晶金屬替換機(jī)器磁芯中的常規(guī)合金如硅-鐵。得到的電機(jī)有時(shí)提供了增加的效率和較小的損耗，但它們的功率輸出都有無(wú)法接受的降低，且與處理和形成非晶金屬相關(guān)的成本顯著提高。因而，它們還沒有獲得商業(yè)上的成功或市場(chǎng)的暢銷。
例如，美國(guó)專利No.4578610公開了一種高效電機(jī)，其具有的定子通過(guò)簡(jiǎn)單地盤繞一條非晶金屬帶構(gòu)造而成，其中先纏繞非晶帶，然后再對(duì)非晶帶開槽，然后再將合適的定子繞組置于這些槽中。
美國(guó)專利No.4187441公開了一種高功率密度機(jī)器，其具有螺旋式纏繞的疊片磁芯，這些疊片磁芯由具有安置定子繞組的槽的非晶金屬帶制成。該專利還公開了采用激光光束在非晶金屬帶中切制槽的方法。
在高槽數(shù)裝置中特別顯著的一個(gè)問題是不能夠用繞組填充的槽空間的數(shù)量，因?yàn)樵诙ㄗ永@組和定子磁芯之間必須布置絕緣。絕緣的厚度是相對(duì)固定的，其由電氣裝置的工作電壓確定。因此，能夠用于定子線圈繞組的總的槽面積的百分率具有上限值。當(dāng)采用公知的定子線圈繞組制造常規(guī)構(gòu)造的高極數(shù)電氣裝置時(shí)，該值一般小于50％。對(duì)可用槽面積的限制又限制了確定可以產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)的電流密度。結(jié)果，電氣裝置的輸出功率和性能也受到限制。
然而，可工作在高頻和高速下的電機(jī)中出現(xiàn)的另一個(gè)問題是轉(zhuǎn)子的發(fā)熱。轉(zhuǎn)子相對(duì)定子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁體在每次轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中經(jīng)受磁導(dǎo)系數(shù)的周期變化，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子磁體交替經(jīng)過(guò)與定子鐵芯的齒對(duì)齊的位置和位于定子齒間的間隙中心的位置。磁導(dǎo)的這種變化繼而引起轉(zhuǎn)子內(nèi)磁通的變化，依照法拉第定律感應(yīng)出漩渦電流。這些電流有時(shí)很大，足以使轉(zhuǎn)子嚴(yán)重發(fā)熱。發(fā)熱繼而可能導(dǎo)致不可逆的磁化損耗并降低裝置的輸出。極端情況下，發(fā)熱甚至可以嚴(yán)重到降低轉(zhuǎn)子磁體的壽命或毀壞轉(zhuǎn)子磁體。
因而，本技術(shù)中需要高效的電氣裝置，該裝置充分利用與低損耗材料相關(guān)的特性，因而消除了與常規(guī)機(jī)器有關(guān)的許多弊端。理論上，改進(jìn)的機(jī)器可提供機(jī)械能和電能形式間的較高效率的轉(zhuǎn)換。提高由礦物燃料推動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的效率可同時(shí)降低空氣污染。機(jī)器可更小、更輕，且滿足更為嚴(yán)格的轉(zhuǎn)矩、功率和速度方面的要求。冷卻要求可被降低。對(duì)于給定的充電周期，電池電源驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)工作的時(shí)間可更長(zhǎng)。對(duì)于某些應(yīng)用，軸向氣隙機(jī)器因其大小和形狀以及特殊的機(jī)械特征而更為適合。對(duì)于軸向和徑向氣隙裝置都探索了類似的機(jī)器特性改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種包括轉(zhuǎn)子組件和定子組件的電動(dòng)機(jī)器，所述定子組件包括后鐵部分和多個(gè)定子齒部分以及堆疊式定子相繞組。相鄰的每對(duì)齒部分的槽中安置數(shù)個(gè)堆疊式定子相繞組。優(yōu)選在每個(gè)槽中放置兩個(gè)這種繞組。該電氣裝置可具有從低至高的任意數(shù)量的磁極和槽。該定子組件被排列和布置以便與定子組件發(fā)生磁性相互作用。定子優(yōu)選包括通常為環(huán)形的結(jié)構(gòu)，該環(huán)形結(jié)構(gòu)使用由至少一種從由非晶和納米晶金屬以及優(yōu)化鐵基合金構(gòu)成的集合中選出的低鐵耗材料構(gòu)成的薄片層。然而，其他軟磁材料也可以用于構(gòu)造全部或部分定子組件。低鐵耗高級(jí)軟磁材料的使用使得更寬范圍的磁極數(shù)目和轉(zhuǎn)換頻率成為可能而同時(shí)保持了高工作效率、高功率密度以及更寬范圍的可能工作速度，因而為設(shè)計(jì)提供了很大的靈活性，可依照本發(fā)明生產(chǎn)和運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)器的實(shí)例包括電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)以及再生電動(dòng)機(jī)，但不局限于這些。一個(gè)或多個(gè)電氣裝置可成為復(fù)合裝置或系統(tǒng)中的部件。這種復(fù)合裝置的一個(gè)實(shí)例是包括一個(gè)或多個(gè)電機(jī)的壓縮機(jī)，其中一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)機(jī)可與風(fēng)扇整合成一體。該機(jī)器優(yōu)選具有軸向氣隙構(gòu)造，但也可以是徑向氣隙裝置。
本發(fā)明還包括構(gòu)建電動(dòng)機(jī)器的方法，包括(i)提供至少一個(gè)包括后鐵部分和多個(gè)齒部分的定子組件，該定子組件在相鄰的每對(duì)所述齒部分之間帶有槽和數(shù)個(gè)堆疊式定子相繞組，每個(gè)繞組圈繞在一個(gè)或多個(gè)所述齒部分上；(ii)提供至少一個(gè)受支撐以便圍繞軸旋轉(zhuǎn)且包括多個(gè)磁極的轉(zhuǎn)子組件，轉(zhuǎn)子組件被排列和布置以便與所述至少一個(gè)定子組件發(fā)生磁性相互作用。優(yōu)選地，每個(gè)槽中有兩個(gè)堆疊式定子相繞組并且該繞組由相等數(shù)目的上部線圈和下部線圈組成。
電動(dòng)機(jī)器系統(tǒng)包括前述類型的電動(dòng)機(jī)器以及連接和控制該機(jī)器的電源電子電路裝置。
在本發(fā)明的一個(gè)方面中提供的新穎的定子線圈纏繞和堆疊技術(shù)使定子槽充滿率大大提高，定子槽充滿率是槽中的定子線圈繞組相對(duì)于槽的總體積的百分率的一個(gè)衡量尺度。這樣，本發(fā)明的優(yōu)選的電氣裝置提供提高了的性能、功率和效率。
本裝置的定子組件優(yōu)選具有用低損耗高頻材料制造的磁芯。更優(yōu)選地，定子磁芯由非晶金屬、納米晶金屬、優(yōu)化硅-鐵合金、晶粒取向鐵基材料或非晶粒取向鐵基材料制造。在電氣裝置中引入非晶金屬、納米晶金屬、優(yōu)化硅-鐵合金、晶粒取向鐵基材料或非晶粒取向鐵基材料能夠使裝置的頻率提高到高于400赫茲，而鐵損只有相對(duì)小的增加，這是與在常規(guī)機(jī)器中大的增加相比而言的，因此產(chǎn)生了能夠提供提高了的功率的高效電氣裝置。本發(fā)明還提供具有高磁極數(shù)量的能夠提供提高了功率密度和延伸到更高速度的同時(shí)維持改善的效率的扭矩速度曲線的高效電氣裝置。


參考以下本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明和附圖，可更完全地理解本發(fā)明且其他優(yōu)點(diǎn)將顯現(xiàn)出來(lái)，其中各個(gè)視圖中相同的標(biāo)號(hào)表示相似的元件，其中圖1A和1B分別示出了本發(fā)明的定子結(jié)構(gòu)的頂視圖和側(cè)視圖，顯示了帶有機(jī)加工的定子槽的定子磁芯和后鐵；圖2示出了本發(fā)明的定子結(jié)構(gòu)纏繞有定子繞組時(shí)的截面圖；圖3A和3B分別示出了本發(fā)明的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的頂視圖和側(cè)視圖，顯示了轉(zhuǎn)子磁體的位置和磁極；圖4示出了本發(fā)明的軸向氣隙型電氣裝置的定子和在定子之間的轉(zhuǎn)子的設(shè)置；圖5示出了采用常規(guī)繞組技術(shù)纏繞的低槽數(shù)定子結(jié)構(gòu)；圖6示出了采用常規(guī)繞組技術(shù)纏繞的高槽數(shù)定子結(jié)構(gòu)；圖7示出了按照本發(fā)明纏繞的定子結(jié)構(gòu)；圖8示出了按照本發(fā)明纏繞的另一個(gè)定子結(jié)構(gòu)；圖9示出了按照本發(fā)明纏繞的用于四相機(jī)器的定子結(jié)構(gòu)；圖10示出了按照本發(fā)明纏繞的定子結(jié)構(gòu)的上線圈的初級(jí)磁通路徑；圖11示出了按照本發(fā)明纏繞的定子結(jié)構(gòu)的上線圈的次級(jí)磁通路徑；圖12示出了按照本發(fā)明纏繞的電氣裝置的下線圈的初級(jí)磁通路徑；圖13示出了按照本發(fā)明纏繞的定子結(jié)構(gòu)，包括冷卻系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
以下將參照附圖更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。本發(fā)明涉及設(shè)計(jì)和制造具有由低損耗材料制造的纏繞的定子磁芯和采用了堆疊式定子繞組的電氣裝置，如無(wú)刷電機(jī)。優(yōu)選地，定子磁芯包括非晶金屬、納米晶金屬、優(yōu)化硅-鐵合金、晶粒取向鐵基材料或非晶粒取向鐵基材料。
裝置總體結(jié)構(gòu)共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.60/444,271的(“‘271申請(qǐng)”)和美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/769,094的(“‘094申請(qǐng)”)提供了一種布置成軸向氣隙結(jié)構(gòu)但是具有并排繞組結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子組件和定子的電氣裝置，這兩個(gè)申請(qǐng)均通過(guò)引用整體結(jié)合在本文中。定子包括后鐵部分和多個(gè)定子齒部分，優(yōu)選使用低損耗、高頻材料制成。圖1示出了根據(jù)‘094申請(qǐng)的一個(gè)方面的定子組件20的頂視圖(圖1A)和側(cè)視圖(圖1B)，顯示了包括了從后鐵23上懸掛下來(lái)的定子齒部分25的整體結(jié)構(gòu)。相鄰的齒部分之間的槽間隙24用于接納采用常規(guī)的并排設(shè)置的繞組纏繞在齒部分25上的定子繞組22，如圖2所示。優(yōu)選地，一個(gè)或多個(gè)定子由低損耗材料如非晶金屬、納米晶金屬、優(yōu)化鐵基合金形成?；蛘呖梢圆捎镁ЯＨ∠蜩F基材料或非晶粒取向鐵基材料。后鐵和齒部分可形成為示出的整體結(jié)構(gòu)，其中的齒部分25整體從后鐵部分23中懸垂下來(lái)，或形成為用任何適合的方法固定在一起的獨(dú)立部件。例如，組成零件可以采用粘合劑、夾鉗、焊接或在本領(lǐng)域中已知的其他方法連接起來(lái)。多種粘合劑可能是適合的，包括那些由環(huán)氧樹脂、清漆、厭氧粘合劑、氰基丙烯酸鹽粘合劑以及室溫硫化(RTV)硅樹脂材料等組成的粘合劑。粘合劑理想地具有低的粘性、低的收縮、低的彈性彈性模量、高的剝離強(qiáng)度、高的工作溫度性能以及高的絕緣強(qiáng)度。和由前述‘271和‘094申請(qǐng)?zhí)峁┑钠渌问降亩ㄗ咏Y(jié)構(gòu)一樣，圖1A-1B所示的定子結(jié)構(gòu)在實(shí)施本發(fā)明中是有用的。還有包括低損耗材料并且與后面所述的堆疊式繞組結(jié)構(gòu)相兼容的其它定子結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明還提供優(yōu)選應(yīng)用于軸向氣隙電氣裝置中的新式定子線圈繞線和堆疊技術(shù)。本發(fā)明采用堆疊式繞組取代電機(jī)繞組中常規(guī)采用的并排式設(shè)置。其中包括單獨(dú)的齒和后鐵部分的定子的實(shí)施例可在部件組裝之前或之后纏繞定子繞組。繞組也可以作為單獨(dú)的組件形成，然后在齒部分25的自由端上滑裝到位。定子20及其繞組22可安置在定子架(未顯示)中并且封裝入合適的有機(jī)絕緣材料中。
本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)器還包括具有多個(gè)沿圓周隔開且相對(duì)定子組件排列成軸向結(jié)構(gòu)的永磁體的定子組件。本發(fā)明的機(jī)器可包括一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子組件和一個(gè)或多個(gè)定子組件。因而，這里參照電動(dòng)機(jī)器使用的術(shù)語(yǔ)“一個(gè)定子”和“一個(gè)轉(zhuǎn)子”意為范圍從1個(gè)至多達(dá)3個(gè)或更多的多個(gè)轉(zhuǎn)子和定子。
在本發(fā)明的一方面中，提供了一種建造和纏繞定子組件的方法，例如圖1-2所示的定子組件和本文中所述的其它定子組件。通過(guò)將低損耗高頻帶形材料螺旋纏繞成環(huán)形圈首先形成金屬芯。該環(huán)形圈為大致直的圓柱殼形狀，沿軸向觀察時(shí)具有內(nèi)直徑和外直徑。從內(nèi)直徑“d”軸向延伸至外直徑“D”且圍繞在上述形成的全環(huán)形圈周圍的環(huán)形末端表面區(qū)域22定義了表面區(qū)域。金屬芯具有定義了環(huán)形圈高度“H”的軸向延伸。繞線后，金屬芯經(jīng)加工以提供外寬度為“w”且大體為軸向指向的槽24。槽24的深度沿軸向在環(huán)形圈的高度內(nèi)僅延伸了部分，由此限定了具有槽高“T”的齒和槽。這些槽降低了金屬芯的總末端表面積。去掉槽后剩下的環(huán)形區(qū)域部分為總面積(TA)，對(duì)于其中的低損耗高頻材料為非晶金屬的實(shí)施例也稱為非晶金屬區(qū)域(AMA)。因?yàn)椴?4從內(nèi)直徑完全延伸至外直徑，環(huán)形圈的開槽部分中的定子芯的圓周在內(nèi)直徑和外直徑處不是連續(xù)的。從槽空間中去除材料產(chǎn)生了多個(gè)齒25。齒和槽的數(shù)目是相同的。留在槽深度下的沿圓周連續(xù)的材料可作為后鐵部分23，該后鐵部分為齒部分25中的磁通提供隔板。在優(yōu)選實(shí)施例中，為了可成形性和機(jī)械完整性，齒的最窄部分不小于0.1英寸(2.5毫米)。槽24用導(dǎo)電定子繞組22按照為給定的電氣裝置預(yù)先設(shè)計(jì)的纏繞方案纏繞。
定子線圈纏繞和堆疊技術(shù)特別地，本發(fā)明的一個(gè)方面提供了定子線圈纏繞和堆疊技術(shù)，其增加了電氣裝置的定子繞組線圈充滿率。雖然可以應(yīng)用于徑向氣隙裝置，但是本發(fā)明的堆疊式線圈結(jié)構(gòu)在采用模塊線圈制造軸向氣隙機(jī)器的定子中易于實(shí)施。模塊線圈可以滑裝在沿軸向沒有做成錐形的齒部分上。在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的技術(shù)應(yīng)用于具有槽每相每磁極比率為0.5的高磁極數(shù)軸向氣隙電氣裝置，其中每個(gè)定子齒通常只有一個(gè)分散的線圈。但是，本發(fā)明的方法也可以應(yīng)用于采用具有SPP值大于0.5的纏繞方案的軸向氣隙電氣裝置。
圖5中示出了用于三相軸向氣隙機(jī)器的常規(guī)繞組結(jié)構(gòu)，該圖顯示了一種低槽數(shù)裝置，而在圖6中是一種高槽數(shù)裝置。圍繞定子圓周相繼設(shè)置在齒上按照順序A-B-C-A-B-C纏繞了定子相繞組，其中的字母表示三個(gè)電相位。每個(gè)定子槽因此含有兩個(gè)相位的繞組。圖5所示的繞組方案中單個(gè)定子繞組線圈，例如線圈24a和24b，裝配在每個(gè)定子齒上，并且線圈通常延伸在定子齒的軸向長(zhǎng)度的大部分上。如圖5和6所示，定子線圈24a和24b在定子槽中是處于并排設(shè)置。相鄰的定子齒40a和40b的定子線圈24a和24b通常各分別占在留出用于充分的絕緣之后可以利用的槽寬的大約1/2和基本上整個(gè)槽深。但是實(shí)際中可用的空間由于插入或者纏繞線圈實(shí)際需要的空隙而被進(jìn)一步減小。圖5示出了圍繞定子周向進(jìn)行的材料順序，如下1.第一定子齒40a；2.絕緣42；3.第一線圈繞組24a(圈繞著第一定子齒40a)；4.絕緣42；5.第二線圈繞組24b(圈繞著第二定子齒40b)；6.絕緣42；和7.第二定子齒40b。
在圖6的結(jié)構(gòu)中看到相同的順序。在兩個(gè)圖中，上述模式圍繞定子圓周重復(fù)進(jìn)行。堆疊式線圈結(jié)構(gòu)可以纏繞到徑向氣隙裝置的定子上，該裝置由對(duì)準(zhǔn)地堆疊起來(lái)的沖壓疊片按照常規(guī)方式形成，例如通過(guò)針式繞組。
定子槽中沒有被繞組占據(jù)的幾何區(qū)域通常用灌封物、清漆、絕緣物等等類似物占據(jù)并且認(rèn)為是廢棄區(qū)域?？倕^(qū)域和廢棄區(qū)域之間的差稱為有用區(qū)域。對(duì)于具有54各4毫米寬和SPP比率位0.5的電氣裝置而言，當(dāng)采用常規(guī)定子線圈和堆疊技術(shù)和機(jī)器被優(yōu)化用于最高實(shí)際功率密度(即每單位體積的功率，通常用單位W/cm3表示)時(shí)，分配給導(dǎo)電繞組的有用空間的百分比的變化大約為35％±10％。這些百分比值是在假設(shè)不變的基礎(chǔ)頻率和應(yīng)用于每個(gè)定子齒上的不變的安培匝數(shù)的情況下給出的。采用相同的計(jì)算和相同的假設(shè)，得到約為50％±10％的不同百分比，用于優(yōu)化每單位質(zhì)量的有源材料的扭矩。
槽充滿率可以達(dá)到約為按照常規(guī)槽纏繞/充填方案纏繞的低磁極數(shù)電氣裝置的可用體積的65％。在電氣裝置中引入低損耗材料允許設(shè)計(jì)具有SPP＝0.5的高磁極數(shù)、高槽數(shù)和高頻率電氣裝置。但是，絕緣層42的最小厚度由電氣裝置的工作電壓確定，因此是相對(duì)固定的。
采用槽絕緣，例如圖5-6所示，是電動(dòng)機(jī)器技術(shù)中的慣常的做法。當(dāng)定子繞組通常用絕緣線制造時(shí)，附加的絕緣如牛皮紙或者絕緣聚合物膜通常設(shè)置在定子槽的底部和側(cè)面，用于防止繞組由于與定子接觸產(chǎn)生磨損或刻痕，尤其是在纏繞或放置定子繞組線圈時(shí)。相間的絕緣也是常規(guī)的。在損壞的部位的絕緣故障可以導(dǎo)致出現(xiàn)熱點(diǎn)或者繞組過(guò)熱和燒毀。在極端情況下，故障可以產(chǎn)生電擊或者火災(zāi)危險(xiǎn)。
在實(shí)際中，高頻機(jī)器常常在高電壓下工作，由此要求更厚的絕緣。高電壓，特別是在高頻下，常常導(dǎo)致電暈效應(yīng)，它是在強(qiáng)電場(chǎng)存在下絕緣材料的災(zāi)難性的擊穿，其被認(rèn)為是離子化了其組分原子，造成絕緣體變成具有高導(dǎo)電性因此對(duì)于高頻裝置需要附加的絕緣，即使進(jìn)一步限制了可用于繞組的槽寬。采用常規(guī)的線圈設(shè)置和技術(shù)，例如在圖6中所示的，多達(dá)46％的槽區(qū)域是不可利用的。
高槽數(shù)軸向氣隙電氣裝置的定子繞組線圈充滿率可以通過(guò)采用本發(fā)明的定子線圈纏繞和堆疊技術(shù)得到大大的提高。在圖7中示出的本發(fā)明的實(shí)施例中，對(duì)于具有54個(gè)槽寬為4毫米的槽的4000rpm電氣裝置，其定子槽充滿率超過(guò)59％。如果在相同幾何槽體積中采用常規(guī)充填方案，則槽充滿率只有46％。具有59％以上的增大的槽充滿率的電氣裝置可以展現(xiàn)出高達(dá)28％的性能增長(zhǎng)，這在工業(yè)上是有利的。在可能的槽充填中的增加提供了更多的導(dǎo)體區(qū)域，其可以用于減小繞組電阻和因此減小歐姆損失。另外，較大的區(qū)域允許增加有效電流密度而不會(huì)像在其它情況下需要改變電機(jī)的結(jié)構(gòu)。更高的電流反過(guò)來(lái)允許給定的設(shè)計(jì)能夠在增加的機(jī)器功率和扭矩下工作。
按照本發(fā)明構(gòu)造的電動(dòng)機(jī)器采用堆疊式繞組?！岸询B式繞組”是指一種繞組構(gòu)造，其中多個(gè)定子相繞組從齒根并延伸到齒面附近的某個(gè)高度按照分層的順序設(shè)置。相間的絕緣優(yōu)選設(shè)置在相鄰的繞組線圈之間。繞組圈繞一個(gè)或多個(gè)定子齒部分。如這里采用的，用語(yǔ)“齒根”是指在齒槽的底部在齒與后鐵抵接處的位置。雖然在本發(fā)明中每個(gè)槽中可以采用三個(gè)或更多堆疊式繞組，但是僅用兩個(gè)堆疊式繞組一般就可以獲得堆疊式線圈的好處。
例如，圖7示出了一種三相軸向氣隙機(jī)器的定子20的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。如圖7中所見，定子槽被垂直地劃分，如圖所示，而不是如圖5-6的常規(guī)設(shè)置中那樣水平地劃分。定子的每個(gè)槽中有兩個(gè)繞組，一個(gè)上線圈50和一個(gè)下線圈52。每個(gè)線圈占據(jù)大致整個(gè)可用槽寬但是只占據(jù)大約一半的可用槽深。如這里相對(duì)于定子線圈繞組結(jié)構(gòu)采用的，用語(yǔ)“上”和“下”是指定子繞組分別在齒根處和在大約槽的中間高度并且延伸到后鐵的齒遠(yuǎn)端的自由端附近開始的位置。各個(gè)線圈50和52圍繞相鄰的定子齒40和44纏繞并且相互上下堆疊，如進(jìn)一步在圖7只示出的那樣。三相系統(tǒng)中的每相包含多個(gè)上線圈50和下線圈52。定子線圈按照交替的順序的上/下模式堆疊起來(lái)在圖7所示的實(shí)施例中，繞組設(shè)置的模式是(A下-B上)(C下-B上)(C下-A上)(B下-A上)(B下-C上)(A下-C上)(A下-B上)(A下-B上)…，其中字母A、B和C代表三個(gè)電相位，代表性的術(shù)語(yǔ)(A下-B上)表示一個(gè)槽具有一個(gè)連接到A相的下線圈和一個(gè)連接到B相的上線圈。圖7中的箭頭代表在連接每個(gè)齒的各側(cè)上的匝的端匝中的電流流動(dòng)方向。其它順序也是可能的。例如，圖8示出的結(jié)構(gòu)具有順序(A下-C上)(A下-A上)(B下-A上)(B下-B上)(C下-B上)(C下-C上)(A下-C上)…。箭頭也表示端匝中的電流流動(dòng)方向。絕緣層或絕緣材料按照兩個(gè)不同的定向布置在定子線圈和定子齒之間。絕緣層42常規(guī)定向覆蓋槽的側(cè)壁和底部，而相間的絕緣層48定向?yàn)榇怪庇诔Ｒ?guī)定向，因此大致平行于槽的底部。這種結(jié)構(gòu)可以使定子線圈繞組具有更高的槽充滿率。作為實(shí)施本發(fā)明的技術(shù)的結(jié)果，通過(guò)定子槽充滿率的增加，裝置設(shè)計(jì)者可以實(shí)現(xiàn)增加的功率或者增加的效率。多種近似的定子結(jié)構(gòu)的對(duì)于具有不是三相的多相裝置也是有用的。例如，用于四相裝置的一種可能的順序示于圖9中，其表示為(A下-D上)(A下-A上)(B下-A上)(B下-B上)(C下-B上)(C下-C上)(D下-C上)(D下-D上)(A下-D上)…，端匝電流流動(dòng)如箭頭所示。
本結(jié)構(gòu)提供的絕緣體積的部分減小是由簡(jiǎn)單的幾何上的考慮產(chǎn)生的。對(duì)圖6所示現(xiàn)有技術(shù)的裝置中的絕緣的布置和圖7中所示的本發(fā)明的機(jī)器進(jìn)行比較，兩者的結(jié)構(gòu)在槽壁和底部上都需要大致相同的絕緣，但是在相鄰的相繞組中間是不同的絕緣。在圖6結(jié)構(gòu)中，中間絕緣是垂直的并且具有大約由T·(D-d)·s給出的體積，其中“s”是公稱絕緣厚度。在另一方面，圖7中看見的水平中間絕緣具有的體積大約為w·(D-d)·s。由于齒高T在優(yōu)選的設(shè)計(jì)中一般是槽寬w的兩倍或更多倍，通過(guò)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)使相間的絕緣的體積減半。
但是，在改善由本發(fā)明的堆疊式線圈結(jié)構(gòu)提供的槽的利用中，制造上的考慮起到了附加的并且通常是更重要的作用。在通常用于電機(jī)構(gòu)造中的槽絕緣的牛皮紙為6mil(0.15毫米)厚。但是，常常大到30mil(0.75毫米)的附加的橫向空間需要提供足夠的空隙用于圖6中的裝置使用的并排線圈的纏繞操作。該量大大地影響了實(shí)際的可用區(qū)域，特別是對(duì)于高槽數(shù)設(shè)計(jì)中典型的窄槽情況。雖然附加的空隙只是在實(shí)際的相纏繞期間需要，但是它通常之后是不能夠恢復(fù)的。通過(guò)對(duì)比，這種額外的容量對(duì)于纏繞本發(fā)明的堆疊式線圈是不需要的。而且在下線圈纏繞之后，通常與絕緣相關(guān)的任何剩余空間可以在纏繞上線圈之前通過(guò)擠壓被大致上消除。
通常，優(yōu)選使用便宜的高導(dǎo)電性導(dǎo)線如銅線或鋁線，但也可以采用各種材料和形狀，包括其他金屬和合金以及超導(dǎo)體材料。導(dǎo)線的截面可以是任意形狀，但圓形和方形導(dǎo)線是最常見的。在某些高頻應(yīng)用中，扭鉸線或絞合線(Litz wire)可能較為有利。優(yōu)選的纏繞方案中每個(gè)齒25需要一個(gè)線圈。每個(gè)線圈通常包括多圖導(dǎo)線。然而，技術(shù)中已知的任何繞組配置都可以應(yīng)用。這些繞組可圍繞齒的位置形成，或者它們可以單獨(dú)作為組件準(zhǔn)備好并滑裝到齒末端上。
定子組件20以及定子繞組可安置在定子架(未顯示)中。定子組件優(yōu)選用的合適的有機(jī)絕緣材料例如不在定子磁材料中感應(yīng)額外應(yīng)力的材料封裝在定子架內(nèi)。雖然定子架優(yōu)選為非磁性的，但對(duì)定子架材料的導(dǎo)電性沒有限制。可影響定子架材料的選擇的因素包括要求的機(jī)械強(qiáng)度和熱性質(zhì)。任何可恰當(dāng)?shù)刂味ㄗ咏M件的材料均可用作定子架。在特定的實(shí)施例中，定子架用鋁制成。
定子上線圈和下線圈的電感線圈的理想電感“L”計(jì)算為L(zhǎng)＝N2·P (1)其中L＝線圈自感，N＝每個(gè)線圈的匝數(shù)，P＝磁線路的磁導(dǎo)。
磁導(dǎo)“P”定義為P＝μo·μr·A/1 (2)其中μr＝磁線路的相對(duì)磁導(dǎo)率，μo＝空氣的磁導(dǎo)率，A＝磁線路的截面；l＝磁線路的路徑長(zhǎng)度。
除了用于計(jì)算最簡(jiǎn)單的線圈幾何形狀以外，等式(2)用于精確計(jì)算是非常困難的。當(dāng)N可以對(duì)于本發(fā)明的上線圈和下線圈兩者都保持相同時(shí)裝置設(shè)計(jì)者必須對(duì)A、l和μr作出近似值，這些近似值對(duì)于開式磁線路、尤其是對(duì)于具有復(fù)雜幾何形狀的線路不是唯一確定的。
本發(fā)明的每個(gè)定子線圈繞組都具有相關(guān)的依據(jù)幾何形狀的電感。特別地，對(duì)等式(2)的定性的考慮表明在邊緣通量圖形中的差異使得上線圈和下線圈的電感不同。
對(duì)于上線圈，有效線圈磁通面積A包括用于齒長(zhǎng)度的定子芯面積。行進(jìn)到后鐵時(shí)，線圈磁通面積是后鐵橫截面面積，然后到了具有其各自芯面積的第二齒，最后是氣隙的近似得出的面積。線路的長(zhǎng)度l近似為芯長(zhǎng)度，即從齒到齒在兩個(gè)方向上通過(guò)后鐵跨越的距離、相鄰的齒的長(zhǎng)度和然后為通過(guò)空氣的磁通的近似長(zhǎng)度的合計(jì)，如圖10中所示。還有其它磁通路徑，如圖11中所示，它們通過(guò)定子芯行進(jìn)而離開的越來(lái)越遠(yuǎn)，但是它們對(duì)電感的計(jì)算的影響很小。氣隙中的μr值可以近似為自由空間中的值，即1.0。任何實(shí)際的軟磁材料都具有至少103，并且常常是更高很多，從而磁導(dǎo)由氣隙支配。因此實(shí)際的計(jì)算可以只考慮通過(guò)空氣的磁路徑。結(jié)果，等式(2)用于上線圈時(shí)由以下等式近似L＝μo·N2·A/1 (3)對(duì)于下線圈，氣隙的有效面積增大了因子f，其顯著大于1.0。這是由于總磁通的一部分的傾向于越過(guò)槽寬的原因，如圖12中所示。由于類似的原因，氣隙的有效長(zhǎng)度被減小了小于1.0的因子g。結(jié)果等式(2)用于下線圈時(shí)由以下等式近似L＝μo·N2·(A·f)/(1·g)(4)結(jié)果，下線圈一般具有比上線圈高得多的電感。
在輸送交流電的電路中的電感產(chǎn)生電抗，電抗與電阻組合產(chǎn)生阻抗。對(duì)于任何具有并列纏繞的線圈的電氣裝置，如果在線圈之間具有阻抗差，電流將在一個(gè)相中“循環(huán)地”流動(dòng)。這些“循環(huán)電流”對(duì)裝置的性能非常有害。它們不做有用功并且減損裝置的輸出功率，同時(shí)增加機(jī)器的歐姆損失。
在一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種對(duì)循環(huán)電流的問題的解決方案，其中上線圈和下線圈的相對(duì)匝數(shù)N被修改。對(duì)線圈希望的N值可以通過(guò)將上線圈和下線圈的電感設(shè)置成相等由數(shù)學(xué)方式確定。但是，改變每線圈的匝數(shù)既改變了上線圈和下線圖的相對(duì)電阻也改變了每個(gè)上線圈或下線圈的反EMF(電動(dòng)勢(shì))常數(shù)。因?yàn)榭偟淖杩故撬P(guān)心的，因此電阻差也引起潛在的循環(huán)電流。電阻差可以通過(guò)采用不同的導(dǎo)線尺寸來(lái)補(bǔ)償。反EMF常數(shù)的差也可以是循環(huán)電流的一個(gè)原因，但是它不能夠通過(guò)改變導(dǎo)線尺寸來(lái)修正。
與此不同，在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，循環(huán)電流的問題是通過(guò)將每個(gè)上線圈串聯(lián)布線到對(duì)應(yīng)的下線圈來(lái)解決的。在一對(duì)一匹配的基礎(chǔ)上，下線圈與上線圈的這種串聯(lián)纏繞大大的減小或者消除了不希望有的循環(huán)電流。由于串聯(lián)連接一般本身能夠滿足要求，因此上述調(diào)節(jié)導(dǎo)線尺寸和匝數(shù)的方法可以輔助性地使用。
低損耗定子材料本電動(dòng)機(jī)器的優(yōu)選實(shí)施例中的非晶、納米晶、或優(yōu)化鐵基合金、或晶粒取向鐵基或非晶粒取向鐵基材料的使用使得機(jī)器的轉(zhuǎn)換頻率可提高至高于400赫茲，而鐵損與可見于常規(guī)機(jī)器中無(wú)法接受的巨大增加相比僅有相對(duì)較小的增加。在定子芯中采用低損耗材料相應(yīng)地使得可提供增加的功率密度以及提高的效率的高頻率、高極數(shù)的電氣裝置的發(fā)展成為可能。此外，定子鐵損的降低同樣使得電機(jī)可在遠(yuǎn)高于常規(guī)基本速度的速度下運(yùn)行，而不需要降低扭矩和功率的額定值，這在常規(guī)設(shè)計(jì)的機(jī)器中因熱限制時(shí)常是必需的。優(yōu)選地，定子組件包括由至少一種從由非晶和納米晶金屬或優(yōu)化鐵基合金構(gòu)成的集合中選出的材料構(gòu)成的疊片層。
非晶金屬非晶金屬存在于適合在本電機(jī)中使用的多種不同的化合物中。金屬玻璃通常形成于必需的化合物的合金熔體，這些化合物從熔體快速淬火，例如以至少約106℃/秒的速率冷卻。它們沒有呈現(xiàn)出長(zhǎng)程原子級(jí)且X射線衍射圖僅顯示散射光暈，與那些在無(wú)機(jī)氧化物玻璃中觀察到的類似。一些具有合適的磁性性質(zhì)的化合物已由Chen等人在美國(guó)專利號(hào)No.RE32,925中列出。非晶金屬通常以寬20cm或更多的延展長(zhǎng)度的薄帶(例如厚度最多約50μm)的形式提供。一種對(duì)不定長(zhǎng)度的金屬玻璃帶的形成有用的工藝已由Narasimhan的美國(guó)專利號(hào)No.4,142,571中公開。適合于用于本發(fā)明的典型非晶金屬材料是由Mctglas公司、Conway、SC以不定長(zhǎng)度且寬度可達(dá)20cm而厚度可達(dá)20-25μm的條帶的形式出售的METGLAS2605SA1(見http://www.metglas.com/products/page5_1_2_4.htm)。其他具有必要性質(zhì)的非晶材料也可以使用。
非晶金屬具有一些在生產(chǎn)和使用磁性設(shè)備時(shí)必須考慮的特性。與大多數(shù)軟磁材料不同，非晶金屬(也作金屬玻璃)堅(jiān)硬且易碎，特別是在通常用來(lái)優(yōu)化它們的軟磁性質(zhì)的熱處理之后。因此，許多通常用來(lái)處理用于電機(jī)的常規(guī)軟磁材料的機(jī)械操作很難或無(wú)法在非晶金屬上實(shí)施。將這樣生產(chǎn)的材料沖壓、打孔或切割通常引起不可接受的工具磨損且事實(shí)上在易碎、熱處理過(guò)的材料上不可能實(shí)施。時(shí)常用于常規(guī)鋼材的傳統(tǒng)打孔和焊接通常也被排除。
此外，非晶金屬呈現(xiàn)出比常規(guī)Si-Fe合金低的飽和磁通密度(或感應(yīng))。較低的磁通密度通常造成依照常規(guī)方法設(shè)計(jì)的電機(jī)的功率密度較低。非晶金屬同樣具有比Si-Fe合金低的熱傳導(dǎo)率。因?yàn)闊醾鲗?dǎo)率決定了熱量從熱的地方經(jīng)過(guò)材料傳導(dǎo)到冷的地方的容易程度，較低的熱傳導(dǎo)率值需要謹(jǐn)慎的電機(jī)設(shè)計(jì)以確保由磁性材料中的芯損耗、繞組中的歐姆損耗、摩擦、風(fēng)阻以及其他損耗源引起的多余熱量被充分去除。沒有充分的去除多余熱量繼而造成電機(jī)的溫度不可接受地升高。過(guò)高的溫度容易造成電氣絕緣或其他電機(jī)部件過(guò)早失靈。一些情況下，過(guò)熱可造成電擊危險(xiǎn)或觸發(fā)災(zāi)難性火災(zāi)或其他健康和安全方面的嚴(yán)重危險(xiǎn)。非晶金屬還呈現(xiàn)出比某些常規(guī)材料高的磁致伸縮系數(shù)。具有較低的磁致伸縮系數(shù)的材料在磁場(chǎng)的影響下經(jīng)受較小的尺寸變化，這又可降低機(jī)器發(fā)出的可聞噪音，并使得材料更容易受機(jī)器制造或運(yùn)行時(shí)感應(yīng)的壓力造成的其磁性性質(zhì)退化的影響。
雖然有這些難題，本發(fā)明的一方面提供了一種成功地結(jié)合了高級(jí)軟磁材料并允許電機(jī)工作在高頻激勵(lì)例如大于約400Hz的轉(zhuǎn)換頻率下的電機(jī)。同樣提供了電機(jī)制造的構(gòu)造技術(shù)。由于構(gòu)造和采用高級(jí)材料特別是非晶金屬的原因，本發(fā)明成功地提供了一種工作在高頻(定義為大于約400Hz的轉(zhuǎn)換頻率)下且高磁極數(shù)的電機(jī)。非晶金屬在高頻下呈現(xiàn)出低得多的磁滯損耗，這使得芯損耗也低得多。與硅-鐵合金相比，非晶金屬的電導(dǎo)率低得多且通常比一般使用的厚度通常為200μm或更多的硅-鐵合金薄。這些特性使得渦旋電流鐵芯損耗更低。本發(fā)明成功地提供了一種電機(jī)，該電機(jī)受益于這些特征中的一種或多種特征，因而有效地工作在高頻下，使用一種允許非晶金屬的有利品質(zhì)如低芯損耗得以利用的構(gòu)造，同時(shí)避免了先前使用高級(jí)材料的嘗試中面臨的難題。
納米晶金屬納米晶材料是平均晶粒大小約為100納米或更小的多晶材料。與常規(guī)質(zhì)地粗糙的金屬相比，納米晶金屬的性質(zhì)主要包括增強(qiáng)的強(qiáng)度和硬度、增強(qiáng)的擴(kuò)散率、更好的柔軟性和韌性、降低的密度、降低的模量、更高的電阻、更高的比熱、更高的熱延展系數(shù)、更低的熱傳導(dǎo)率以及優(yōu)良的磁性性質(zhì)。納米晶金屬還具有通常稍高于鐵基非晶金屬的飽和電感。
納米晶金屬可通過(guò)多種工藝形成。一種優(yōu)選的方法包括首先使用上文中說(shuō)明的工藝將必需的化合物澆鑄成不定長(zhǎng)度的金屬玻璃條帶，并將該條帶制成所需的構(gòu)造如圓形。隨后，起初的非晶材料經(jīng)熱處理形成納米晶微結(jié)構(gòu)。此微結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是存在平均大小小于約100nm，優(yōu)選小于50nm，更為優(yōu)選小于10-20nm的高密度晶粒。晶粒優(yōu)選占據(jù)鐵基合金體積的至少50％。這些優(yōu)選的材料具有低的鐵芯損耗和低的磁致伸縮。后一性質(zhì)還使得材料更不容易受包括該部件的裝置的制造和/或運(yùn)行產(chǎn)生的壓力引起的磁性性質(zhì)退化的影響。在特定合金中產(chǎn)生納米晶結(jié)構(gòu)所需的熱處理必須在比設(shè)計(jì)成在其中保持大體完全玻璃態(tài)微結(jié)構(gòu)的熱處理所需的溫度高或保持更長(zhǎng)的時(shí)間。納米晶金屬優(yōu)選為鐵基材料。然而，納米晶金屬同樣可基于或包括其他鐵磁材料，例如鈷或鎳。適合于用于制造本發(fā)明的磁性元件的代表性納米晶合金是已知的，例如Yoshizawa在美國(guó)專利No.4,881,989中以及Suzuki在美國(guó)專利No.5,935,347中列出的合金。這些材料可從Hitachi Metal、Vacuumschmelze GMBH & Co.以及AlpsElectric獲得。具有低損耗性質(zhì)的典型納米晶金屬是Hitachi FinemetFT-3M。另一種具有低損耗性質(zhì)的典型納米晶金屬是VacuumschmelzeVitroperm 500Z。
優(yōu)化的鐵基合金本機(jī)器也可用優(yōu)化的低損耗鐵基晶體合金材料建造。這種材料優(yōu)選為帶形，厚度小于125μm，比常規(guī)用在電機(jī)中的鋼材要薄得多，這些鋼材厚度為200μm或更多，有時(shí)達(dá)到400μm或更多。晶粒取向和非晶粒取向的材料均可使用。如這里使用的一樣，取向材料是一種成分微晶晶粒的主晶軸不是隨機(jī)取向，而是主要沿一個(gè)或多個(gè)優(yōu)選擇優(yōu)方向相關(guān)的材料。由于前述微結(jié)構(gòu)，取向條帶材料對(duì)沿著不同方向的磁激勵(lì)反應(yīng)不同，而非取向材料各向同性地反應(yīng)，即是說(shuō)，對(duì)沿著條帶平面內(nèi)的任意方向有大致相同的反應(yīng)。晶粒取向材料優(yōu)選在本電機(jī)中將其易于磁化的方向與磁通量的主方向大致重合地放置。
如這里使用的那樣，常規(guī)硅-鐵材料指硅重量成分約為3.5％或更少。硅的3.5％重量百分比的限制是工業(yè)上因更高硅成分的硅-鐵合金的不良金屬加工材料性質(zhì)而施加的。常規(guī)硅-鐵合金級(jí)別工作在頻率高于約400Hz的磁場(chǎng)下引起的鐵芯損耗遠(yuǎn)高于低損耗材料的鐵芯損耗。例如，一些情況下常規(guī)硅-鐵的損耗可達(dá)到那些在工作在本機(jī)器的頻率和磁通水平下的機(jī)器中遇到的頻率和通量水平下的合適非晶金屬的10倍。因而，很多實(shí)施例中工作在高頻下的常規(guī)材料會(huì)發(fā)熱至常規(guī)機(jī)器無(wú)法通過(guò)任何可接受的方法冷卻的程度。然而，一些級(jí)別的硅-鐵合金(這里稱為優(yōu)化的硅-鐵)可直接應(yīng)用于制造高頻機(jī)器。
在本發(fā)明的應(yīng)用中有用的優(yōu)化鐵基合金包括含有重量大于3.5％、優(yōu)選大于4％的硅的硅-鐵合金級(jí)別。用于建造依照本發(fā)明的機(jī)器的非晶粒取向鐵基材料主要由硅重量含量范圍約為4％至7.5％的鐵硅合金構(gòu)成。這些優(yōu)選合金比常規(guī)硅-鐵合金含有更多的硅。鐵-硅-鋁合金例如Sendust同樣有用。
更為優(yōu)選的非取向優(yōu)化合金的成分主要由含有重量為6.5±1％的硅的鐵構(gòu)成。最為優(yōu)選的是，含有約6.5％的硅的合金呈現(xiàn)出接近零值的飽和磁致伸縮，使得它們更不容易受由含有該材料的裝置在建造或工作時(shí)遇到的壓力引起的有害磁性性質(zhì)退化的影響。
優(yōu)化的目的是為了得到具有改良的磁性性質(zhì)的合金，改良的磁性性質(zhì)包括降低的磁致伸縮，特別是更低的芯損耗。這些有利性質(zhì)可在某些以適當(dāng)制造方法制造的含有增加的硅成分的合金中獲得。一些情況下，這些優(yōu)化的硅-鐵合金級(jí)別根據(jù)與非晶金屬類似的鐵芯損耗和磁飽和區(qū)分。然而，含有多余約4％原子含量的硅的合金因其短程有序產(chǎn)生的脆性而不容易通過(guò)常規(guī)方法生產(chǎn)。特別地，用于制造常規(guī)硅-鐵的常規(guī)卷繞工藝通常無(wú)法制造優(yōu)化硅-鐵。然而，其他已知的工藝可用于生產(chǎn)優(yōu)化硅-鐵。
例如日本東京的JFE鋼鐵公司(見http://www.jfe-steel.co.jp/en/products/electrical/supercore/index.htm.)以50和100μm厚的磁性條帶提供一種合適形式的鐵-6.5硅合金。由Das等人在美國(guó)專利No.4,865,657中以及Tsuya等人在美國(guó)專利No.4,265,682中公開的快速固化處理得到的鐵-6.5％硅也可以使用。快速固化處理也已知用于制備Sendust以及相關(guān)鐵-硅-鋁合金。
優(yōu)選軟磁材料的損耗特性對(duì)本發(fā)明優(yōu)選材料中的損耗改善的一個(gè)主要貢獻(xiàn)在于顯著減小了磁滯損耗。如技術(shù)中已知，磁滯損耗源于所有軟磁材料的磁化過(guò)程中的受阻疇壁運(yùn)動(dòng)。這些損耗通常在常規(guī)使用的磁性材料如常規(guī)晶粒取向硅-鐵合金和非取向電機(jī)和電力鋼材中比在本機(jī)器中優(yōu)選采用的改良材料中高。高損耗又可增加鐵芯的過(guò)熱。
更具體地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)軟磁材料的芯損耗一般可用以下修正的Steinmetz等式表示L＝a·f·Bb+c·fd·Be(5)其中L為損耗，單位為W/kg，f為頻率，單位為kHz，B為峰值磁通密度，單位為特斯拉，
而a、b、c和d以及e均為任何特定的軟磁材料的經(jīng)驗(yàn)損耗系數(shù)。
上述每個(gè)損耗系數(shù)a、b、c、d和e一般可從給定的軟磁材料的制造商那里獲得。特別優(yōu)選用于本定子結(jié)構(gòu)的是由低于“L”的鐵芯損耗表征的低鐵芯損耗磁性材料，其中L由等式(5)的形式給出，其中L＝12·f·B1.5U+30·f2.3·B2.3。
轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供了軸向氣隙無(wú)刷永磁電氣裝置，其中轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)靠近定子本體安置在公共軸上。圖3A和3B分別示出了適合用于本機(jī)器的軸向轉(zhuǎn)子30的頂視圖和側(cè)視圖。圖3A示出了具有圍繞轉(zhuǎn)子設(shè)置的交替的磁極的多個(gè)磁體32。這些磁體具有交替的磁極且以大致相等的間隔沿圓周可靠地安置在轉(zhuǎn)子周圍。轉(zhuǎn)子磁體的不同參數(shù)如大小、位置、角度、歪斜、形狀以及類似參數(shù)經(jīng)選擇以獲得所需的性能。圖3B示出了圖3A中A線截取的轉(zhuǎn)子側(cè)視圖。
或者，永磁體轉(zhuǎn)子組件可采用任何可將磁體固定以便靠近定子齒的表面轉(zhuǎn)動(dòng)的形式。例如，轉(zhuǎn)子磁體32可設(shè)置在轉(zhuǎn)子架內(nèi)或安裝在定子架上。轉(zhuǎn)子組件可包括任意數(shù)目的轉(zhuǎn)子磁體32。在一些實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子磁體延伸貫穿轉(zhuǎn)子的厚度，而在其他實(shí)施例中，它們不這樣。
磁體可間隔開來(lái)，使得交替的磁體間只有很小或沒有圓周間隙。磁體間的間隔優(yōu)選經(jīng)選擇以達(dá)到最佳值，這也使得扭矩變動(dòng)的出現(xiàn)最小。最佳間隔可由首先將定子的低損耗金屬面積除以定子槽的數(shù)目以得到每個(gè)單獨(dú)的金屬芯齒的面積來(lái)得到。磁體間的最佳間隔則是使得每個(gè)磁體的總面積等于芯齒的面積的175±20％。
圖4示出了具有兩個(gè)定子的電氣裝置的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖，該兩個(gè)定子按照軸向類型的設(shè)置定位在一個(gè)單獨(dú)轉(zhuǎn)子的各側(cè)并且沿著與該單獨(dú)轉(zhuǎn)子的公共中心軸設(shè)置，該一個(gè)轉(zhuǎn)子用于兩個(gè)定子20。在一個(gè)特定實(shí)施例中，具有位于單個(gè)轉(zhuǎn)子各側(cè)的非晶金屬定子的電氣裝置被發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)出高功率密度。這種結(jié)構(gòu)有利地降低了轉(zhuǎn)子上的軸向推力，因?yàn)檗D(zhuǎn)子和各定子之間的吸引力上反向的并且基本上被抵消。
雖然定子磁體描述為永磁體，但本機(jī)器的備選實(shí)施例可以采用其它類型的磁材料或電磁體。例如感應(yīng)式機(jī)器可以采用疊片式軟磁材料，而切換式磁阻機(jī)器可以具有實(shí)心轉(zhuǎn)子。
轉(zhuǎn)子材料任何類型的永磁體均可用于本電機(jī)中。稀土過(guò)渡金屬合金磁體如釤-鈷磁體、其他鈷-稀土磁體或稀土-過(guò)渡金屬-非金屬磁體例如NdFeB磁體尤其適合?；蛘撸D(zhuǎn)子磁體結(jié)構(gòu)包括任意其他燒結(jié)的、塑料粘結(jié)的或陶瓷永磁材料。磁體優(yōu)選具有高的最大BH能量積、高的矯頑力和高的飽和磁化強(qiáng)度，以及線性二象限常態(tài)退磁曲線。更為優(yōu)選使用取向和燒結(jié)的稀土-過(guò)渡金屬合金磁體，這是因?yàn)樗鼈冚^高的能量積提高了磁通量，因而提高了扭矩，同時(shí)使得昂貴的永磁材料的體積可以減到最小。
轉(zhuǎn)子裝置優(yōu)選包括盤或軸向類型的轉(zhuǎn)子組件，該盤或軸向類型轉(zhuǎn)子組件包括沿圓周隔開的高能積永磁體，如稀土-過(guò)渡金屬(如SmCo)或稀土-過(guò)渡金屬-非金屬磁體(如NdFeB和NdFeCoB)，每個(gè)磁體含有限定了北極和南極的相反末端。如圖3A和3B中最佳地看到，轉(zhuǎn)子30及其磁體32受支撐以便圍繞電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，例如在一根軸34或其他任何適合的設(shè)置上，使得可沿著臨近一個(gè)或多個(gè)定子組件的預(yù)定路線接近磁體的磁極。通常該軸由用于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的任意適合類型的軸承支撐。轉(zhuǎn)子上的磁體區(qū)域具有外直徑和內(nèi)直徑。在優(yōu)選實(shí)施例中，對(duì)于軸向氣隙類型轉(zhuǎn)子，磁體32的外直徑和內(nèi)直徑與定子組件20的基本相同。如果磁體32的外直徑大于定子齒部分21的外直徑，則轉(zhuǎn)子的外部部分對(duì)性能無(wú)大的貢獻(xiàn)。如果轉(zhuǎn)子的外直徑小于定子齒部分21的外直徑，結(jié)果是電氣裝置性能的降低。在任一情況下，機(jī)器中存在的一些硬磁或軟磁材料增加了成本和重量，但沒有提升性能。一些情況下，附加的材料甚至?xí)档托阅堋?br> 槽每相每磁極比率電動(dòng)機(jī)器的槽每相每磁極(SPP)值由將定子槽的數(shù)目除以定子繞組中的相數(shù)目和DC磁極的數(shù)目確定(SPP＝槽/相/磁極)。在本說(shuō)明中，磁極指不隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)，這里也稱為DC場(chǎng)，該場(chǎng)與變化的磁場(chǎng)即大小和方向均隨時(shí)間和位置變化的磁場(chǎng)相互作用。在優(yōu)選實(shí)施例中，安裝在定子上的永磁體提供DC磁場(chǎng)，因而提供了一定數(shù)目的不隨時(shí)間變化磁極，這里稱為DC磁極。在其他實(shí)施例中，DC電磁鐵可提供轉(zhuǎn)子DC場(chǎng)。定子繞組的電磁鐵提供變化的磁場(chǎng)。槽指本機(jī)器定子的交替齒之間的間隔。本發(fā)明的技術(shù)可應(yīng)用于任意SPP值的電氣裝置。有利地是，本機(jī)器的設(shè)計(jì)為最佳SPP比率的選取提供了相當(dāng)?shù)撵`活性。
常規(guī)機(jī)器通常設(shè)計(jì)成具有1至3的SPP比率以獲得滿意的功能性和噪音水平，且因更好的繞組分布而提供更平滑的輸出。然而，已尋求較低如0.5的SPP值的設(shè)計(jì)以減小末端線匝效應(yīng)。末端線匝是定子線圈中連接槽間的繞組的導(dǎo)線部分。雖然這些連接當(dāng)然是必需的，末端線匝對(duì)機(jī)器的扭矩和功率輸出沒有貢獻(xiàn)。在這種意義上說(shuō)，它們是不需要的，原因是它們?cè)黾恿怂璧膶?dǎo)線的量且增加了機(jī)器的歐姆損耗而不提供益處。因此，電機(jī)設(shè)計(jì)者的一項(xiàng)目標(biāo)是使末端線匝最少并提供噪音和嵌齒可控的電機(jī)。另一方面，本電機(jī)的優(yōu)選實(shí)現(xiàn)允許降低的SPP比例，同時(shí)具有下文將詳細(xì)說(shuō)明的理想的低噪音、嵌齒和電源電子電路波紋。這種有利之處通過(guò)在高磁極和槽數(shù)目下運(yùn)行而獲得。這些選擇在先前的機(jī)器中不可變，原因是所需的轉(zhuǎn)換頻率的增加在不使用高級(jí)的低損耗定子材料時(shí)是不可接受的。
對(duì)于一些應(yīng)用，建立具有小數(shù)SPP值的電機(jī)是有利的，原因是這種電機(jī)可采用圍繞單定子齒安置的預(yù)形成線圈。在本機(jī)器的不同實(shí)施例中，SPP比率為整比率，如0.25、0.33或0.5。例如圖9的四相實(shí)施例具有SPP＝0.33。SPP值為1.0甚至大于1.0也是可能的。SPP值優(yōu)選在約0.25至4.0的范圍。然而，本機(jī)器更優(yōu)選的實(shí)施例有利地設(shè)計(jì)成SPP比率為1或更小，甚至更有利地為0.5或更小。將多個(gè)槽用導(dǎo)線連接成共有的磁性部分因而提供值大于0.5的SPP是可能的。這是定子槽的數(shù)目大于轉(zhuǎn)子磁極數(shù)目的結(jié)果，導(dǎo)致了分布式的繞組。小于或等于0.5的SPP值表明沒有分布式繞組。工業(yè)中的習(xí)慣是在定子中包括分布式繞組。通常，先前技術(shù)中設(shè)計(jì)成帶有分布式繞組的機(jī)器每磁極有許多槽，造成工作頻率較低。因此，在SPP值為0.5或更少且工作在低頻的常規(guī)機(jī)器中，磁極數(shù)目同樣會(huì)較低且存在較高的難以控制的嵌齒。另一方面，本機(jī)器中高級(jí)磁性材料的使用使得轉(zhuǎn)換頻率可提高，因而可維持低SPP值，同時(shí)仍使得嵌齒最小且不降低機(jī)器的速度。然而，雖然本發(fā)明的方法可應(yīng)用于具有低于0.5(如0.25)SPP值的電氣裝置，這種配置有時(shí)因?qū)嶋H考慮因素而稍不理想，這些因素包括更高轉(zhuǎn)換頻率下所需的增加的機(jī)器阻抗、來(lái)自轉(zhuǎn)子磁體的稍升高的泄漏磁通量以及容納更小且為數(shù)眾多的轉(zhuǎn)子磁體所需的機(jī)械支持。低SPP值對(duì)于電氣裝置的其他重要參數(shù)也常常不利。
另一方面，升高SPP值顯著地增加了機(jī)器的磁極間距。例如，多個(gè)定子槽可用導(dǎo)線連接成公共的磁性部分，這對(duì)應(yīng)于大于0.5的槽每相每磁極(SPP)值。
雖然本機(jī)器可設(shè)計(jì)成或作為單相裝置或具有任意數(shù)目的相且每個(gè)定子上具有相應(yīng)數(shù)目的繞組的多相裝置使用，依照工業(yè)慣例優(yōu)選帶有三相繞組的三相機(jī)器，這是因?yàn)樗峁┝擞泊藕蛙洿挪牧系母咝Ю?，同時(shí)具有良好的功率密度。SPP比例為0.5的實(shí)施例特別適合于三相應(yīng)用。例如，在三相機(jī)器中，SPP＝0.5時(shí)，轉(zhuǎn)子磁極的數(shù)目為定子槽數(shù)目的三分之二，而槽的數(shù)目為相數(shù)目的倍數(shù)。雖然機(jī)器通常依照工業(yè)習(xí)慣連接成三相Y形配置，也可以采用三角形配置。在本發(fā)明提供的優(yōu)選實(shí)施例中，堆疊式線圈定子繞組結(jié)構(gòu)尤其可應(yīng)用于SPP值最優(yōu)等于0.5的電氣裝置。
采用低損耗材料的高磁極數(shù)、高頻率設(shè)計(jì)本結(jié)構(gòu)和方法可應(yīng)用于磁極數(shù)目自低到高不等的電氣裝置。然而，本堆疊式超繞組結(jié)構(gòu)的有利之處尤其在一些實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)了，在這些實(shí)施例中定子中低損耗材料的使用使得工作在高頻的高磁極數(shù)電氣裝置的設(shè)計(jì)成為可能。在特定實(shí)施例中，本發(fā)明提供了高磁極數(shù)的軸向氣隙電氣裝置，該機(jī)器可工作在高頻，即高于約400Hz的轉(zhuǎn)換頻率。一些情況下，裝置可工作在從約500Hz到3kHz或更高的轉(zhuǎn)換頻率下。設(shè)計(jì)者通常避免了高磁極數(shù)的高速電機(jī)設(shè)計(jì)，這是因?yàn)槌Ｒ?guī)定子芯材料例如硅-鐵無(wú)法工作在高磁極數(shù)相應(yīng)所需的高頻率下。特別地，已知采用硅-鐵的裝置由于材料內(nèi)變化的磁通量產(chǎn)生的鐵芯損耗而在顯著高于約400Hz的頻率時(shí)無(wú)法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。高于該極限時(shí)，鐵芯損耗使得材料發(fā)熱至裝置無(wú)法通過(guò)任何可接受的方法冷卻的程度。在某些情況下，硅-鐵材料的發(fā)熱甚至嚴(yán)重到機(jī)器無(wú)論如何也無(wú)法冷卻，并導(dǎo)致自毀。然而，已經(jīng)確定合適的非晶、納米晶和優(yōu)化鐵基材料的低損耗特性允許有比常規(guī)硅-鐵材料高得多得轉(zhuǎn)換速率。雖然在優(yōu)選實(shí)施例中，非晶金屬合金例如METGLAS2065SAl合金的選擇去除了高頻運(yùn)行的發(fā)熱引起的系統(tǒng)局限，繞組結(jié)構(gòu)和整體電機(jī)結(jié)構(gòu)同樣得以改善以更好地利用非晶材料的有利性質(zhì)。
使用更高激勵(lì)頻率的能力使得本機(jī)器可設(shè)計(jì)為具有更寬廣的可能的磁極數(shù)范圍。本裝置中的磁極的數(shù)目是基于允許的機(jī)器尺寸(物理約束)和預(yù)期性能范圍的變量。如果允許的激勵(lì)頻率限制許可，磁極的數(shù)目可提高至磁通量泄漏增加至不期望的值，或性能開始降低。
因?yàn)槎ㄗ硬郾仨毰c轉(zhuǎn)子磁體一致，還存在由定子構(gòu)造施加在轉(zhuǎn)子磁極數(shù)目上的機(jī)械限制。機(jī)械和電磁約束共同限制了定子中可制造的槽的數(shù)目。這些影響又部分地是機(jī)器結(jié)構(gòu)尺寸的函數(shù)。對(duì)于給定的提供了恰當(dāng)?shù)你~和軟磁材料平衡的結(jié)構(gòu)，可設(shè)定一些界限以確定槽數(shù)目的上限。平衡的調(diào)節(jié)可用作制造性能良好的軸向氣隙機(jī)器的參數(shù)。本發(fā)明提供了磁極數(shù)最佳為具有可比物理尺寸的現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器通常具有的磁極數(shù)目的約4倍或5倍的電機(jī)。
作為一個(gè)例子，對(duì)于典型具有6個(gè)至8個(gè)磁極且工作在約800至3600rpm速度下的電機(jī)，轉(zhuǎn)換頻率約為100至400Hz。轉(zhuǎn)換頻率(CF，單位為Hz)為旋轉(zhuǎn)速度乘以磁極對(duì)數(shù)，其中磁極對(duì)為磁極數(shù)除以2，旋轉(zhuǎn)速度的單位是轉(zhuǎn)/每秒(CF＝rpm/60x磁極/2)。工業(yè)中還可獲得帶有16個(gè)或更多磁極但速度小于1000rpm即仍對(duì)應(yīng)于小于400Hz頻率的裝置?；蛘撸部色@得具有相對(duì)較低磁極數(shù)目(如小于6個(gè)磁極)而速度可達(dá)30000rpm的電機(jī)，其轉(zhuǎn)換頻率仍小于約400Hz。在代表性的實(shí)施例中，本發(fā)明提供了具有有96磁極、1000Hz下為1250rpm電機(jī)；54磁極、1080Hz下為3600rpm的電機(jī)；4磁極、1000Hz下為30000rpm的電機(jī)；以及2磁極、1000Hz下為60000rpm的電機(jī)。本發(fā)明的高頻機(jī)器可工作在高于已知用常規(guī)材料和設(shè)計(jì)制造的軸向氣隙電機(jī)約4至5倍的頻率下。當(dāng)工作在相同頻率范圍內(nèi)時(shí)，該提供的機(jī)器通常比工業(yè)中典型的電機(jī)效率更高，因而提供了更好的速度選擇。本配置對(duì)于具有非常寬的頻率、功率和額定扭矩范圍的電機(jī)構(gòu)造尤為適合，某種意義上結(jié)合了高能量效率、高功率密度、組裝的便捷以及昂貴的軟磁和硬磁材料的有效使用。
熱性質(zhì)和效率限制了各種電動(dòng)機(jī)器包括那些使用常規(guī)硅-鐵合金和使用改進(jìn)的低損耗軟磁材料的電動(dòng)機(jī)器中可獲得的裝置輸出效率的特性之一是能量轉(zhuǎn)化為無(wú)用發(fā)熱的損耗。此無(wú)用發(fā)熱有多種來(lái)源，但主要來(lái)自于歐姆損耗、外殼和繞組中的鄰近效應(yīng)損耗、磁體和其他轉(zhuǎn)子部件中的渦旋電流引起的轉(zhuǎn)子損耗以及源于定子芯的芯損耗。常規(guī)機(jī)器的“連續(xù)功率極限”通常由機(jī)器可連續(xù)工作但仍散發(fā)足夠的無(wú)用熱量以防止溫度無(wú)法接受地升高時(shí)的最大速度決定。該連續(xù)功率極限是電流的函數(shù)。
在可最優(yōu)地應(yīng)用于本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用中的高頻、高磁極數(shù)電氣裝置中，因?yàn)榉蔷?、納米晶以及優(yōu)化鐵基金屬合金的損耗比常規(guī)硅-鐵的損耗低，因而產(chǎn)生了較少的無(wú)用熱量。設(shè)計(jì)者可通過(guò)提高頻率、速度和功率并正確地平衡和“折衷”低芯損耗與歐姆損耗的比例以利用這些材料的低損耗特性?？偟膩?lái)說(shuō)，對(duì)于與常規(guī)機(jī)器相同的功率，可最優(yōu)地應(yīng)用于本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用中的高頻、高磁極數(shù)電氣裝置呈現(xiàn)出較低的損耗，于是有更高的扭矩和速度，因而可獲得較常規(guī)機(jī)器更高的連續(xù)功率極限。
本發(fā)明的一個(gè)方面的實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)選的機(jī)器的一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是使裝置的效率最大而同時(shí)保持成本效能的能力。習(xí)慣上，裝置效率定義為有用功率輸出除以功率輸入。可最優(yōu)地應(yīng)用于本發(fā)明的高頻、高磁極數(shù)電氣裝置同時(shí)具有高的磁極數(shù)且工作在更高的轉(zhuǎn)換頻率下，使得具有低芯損耗和高功率密度的裝置效率更高。它們超過(guò)了400Hz的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)高頻極限，此前即使存在實(shí)際應(yīng)用，也幾乎沒有高于此極限的。
可應(yīng)用于本發(fā)明的優(yōu)選高頻、高磁極數(shù)電氣裝置的性能和提高的效率并不簡(jiǎn)單是將常規(guī)硅-鐵用非晶金屬代換的固有特點(diǎn)。已提出了多種采用非晶金屬的設(shè)計(jì)，但它們遇到了性能失效(包括過(guò)熱和較低的輸出功率)的問題。該失效被認(rèn)為主要是源于僅僅采用為常規(guī)材料(硅重量成分為3.5％或更少的硅-鐵)設(shè)計(jì)并適合于常規(guī)材料的方式應(yīng)用新材料(例如非晶金屬)和生產(chǎn)方法。早期的性能失效，加上意識(shí)到的將非晶金屬加工成電機(jī)的成本，使得工業(yè)上放棄了研發(fā)努力。
本優(yōu)選的電氣裝置通過(guò)利用了非晶、納米晶、優(yōu)化硅-鐵合金、晶粒取向鐵基或非晶粒取向鐵基材料的有利性質(zhì)的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)器的設(shè)計(jì)克服了先前技術(shù)的性能失效。還提供了與各種改進(jìn)材料的物理和機(jī)械特性相容的構(gòu)造方法。這些設(shè)計(jì)和方法提供了具有各種有利性質(zhì)中的一些或全部性質(zhì)的機(jī)器，這些有利性質(zhì)包括在高磁極數(shù)目下以高效率以及高功率密度工作在高于400Hz的轉(zhuǎn)換頻率下。雖然其他常規(guī)方法有時(shí)可提供最多具有四種性質(zhì)中的一種或兩種的電機(jī)，這里在實(shí)施例中提供了同時(shí)呈現(xiàn)出一些或優(yōu)選全部四種性質(zhì)的高頻率、高磁極數(shù)的電氣裝置。雖然包括由‘094申請(qǐng)中提供的那些機(jī)器在內(nèi)的機(jī)器能夠通過(guò)采用低損耗定子材料降低磁損耗，但是本機(jī)器提供了另一種可降低損耗的和提高效率的機(jī)制，也即是通過(guò)采用一種改進(jìn)的堆疊式線圈繞組結(jié)構(gòu)。
由于效率的提高，可最優(yōu)地應(yīng)用于本發(fā)明中的高頻、高磁極數(shù)電氣裝置可獲得更寬的連續(xù)速度范圍。常規(guī)電機(jī)存在局限，它們?cè)诟咚俣确秶?低功率)下提供低扭矩，或在低速度范圍下提供高扭矩?？勺顑?yōu)地應(yīng)用于本發(fā)明中的高頻、高磁極數(shù)電氣裝置成功地提供了在高速度范圍下具有高扭矩的電氣裝置。
電氣裝置的冷卻冷卻定子線圈繞組可能在任何電氣裝置設(shè)計(jì)中都是一個(gè)難題。雖然按照這里的原理構(gòu)造的機(jī)器一般都提供了比現(xiàn)有技術(shù)的裝置有顯著改善的效率，然而它們還可以從針對(duì)某些非常苛刻的要求而改善的冷卻中獲得進(jìn)一步的好處。在許多實(shí)際機(jī)器中，消散繞組中的歐姆熱量是對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的加強(qiáng)輸出的主要限制。常規(guī)機(jī)器通常利用通過(guò)電機(jī)軸上的旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)循環(huán)的空氣而采用對(duì)流冷卻，但是在這種設(shè)置中的熱傳遞只能發(fā)生在繞組和其它部件的外表面上。
按照本發(fā)明的定子相線圈的交替堆疊允許利用設(shè)置在定子槽內(nèi)的冷卻手段。在一些實(shí)施例中可以提供足夠的空間用于這種手段，而不會(huì)引起裝置性能的嚴(yán)重降低。例如，熱傳導(dǎo)裝置或者材料可以設(shè)置在以下或者全部定子槽中的相鄰相繞組之間的通道中?？梢圆捎萌魏魏线m的導(dǎo)熱介質(zhì)，非唯一地包括在美國(guó)專利No.6259347中公開的被動(dòng)裝置，該文獻(xiàn)通過(guò)引用整體結(jié)合在本文中。也可以利用其它導(dǎo)熱材料、熱管或者類似物。利用某種外部機(jī)構(gòu)循環(huán)的提供液體或者氣體冷卻流體的有源系統(tǒng)也是合適的。圖13示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其包括位于堆疊式定子線圈繞組之間的電絕緣冷卻通道54代替層形式的絕緣48例如紙或聚合物薄膜。在備選實(shí)施例中，冷卻通道54和一層或多層絕緣48都設(shè)置。在另一些實(shí)施例中，冷卻通道僅僅是沒有壁的敞開式通道，需要采用具有足夠絕緣強(qiáng)度的液體或者其它冷卻劑，以抗擊穿。采用冷卻手段，包括循環(huán)冷卻劑或者導(dǎo)熱介質(zhì)，大大地改善了從繞組內(nèi)消除熱量的功效。
布線和繞線設(shè)計(jì)的靈活性本機(jī)器某些實(shí)施例的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是采用不同的布線配置的靈活性。傳統(tǒng)的定子設(shè)計(jì)限制了繞線設(shè)計(jì)的選擇，原因是上述集中使用值為1.0至3.0的SPP比率，它需要將繞組分布在多個(gè)槽上。當(dāng)對(duì)于分布式繞組有多于兩個(gè)或三個(gè)繞線選擇的時(shí)候變得困難。本發(fā)明提供了利用SPP＝0.5的設(shè)計(jì)的能力，其中，每個(gè)定子芯(包括齒)通常只有一個(gè)分立的線圈。然而，本發(fā)明并不排斥其他SPP＝0.5的布置。復(fù)數(shù)線圈可容易地改動(dòng)并重新連接以提供給定應(yīng)用要求的任意電壓，同時(shí)維持上線圈和下線圈的串聯(lián)成對(duì)設(shè)置。因此，假定SPP比率如本發(fā)明的裝置中一樣接近0.5，則定子繞組配置將有很大的靈活性。例如，制造商可單獨(dú)為每個(gè)定子繞線，或者制造商可在同一定子內(nèi)提供單獨(dú)的定子繞組。此能力是SPP等于0.5的系統(tǒng)的一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。雖然有時(shí)存在采用SPP＝0.5的工業(yè)系統(tǒng)，但它們不是很普遍且僅在很少的應(yīng)用中獲得成功。本發(fā)明成功地提供了允許此繞線靈活性的SPP等于0.5的系統(tǒng)。
因此，給定的硬件配置可簡(jiǎn)單地通過(guò)改變定子線圈或它們的互連而提供很寬范圍的解決方案。通常，線圈是電磁線路中最容易改動(dòng)的部件。顯著的實(shí)惠和簡(jiǎn)化提供給了需要更少的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的制造商、可維持更簡(jiǎn)單的存貨的分銷商和可改動(dòng)給定的機(jī)器以適應(yīng)變化的使用需求的用戶。
機(jī)器系統(tǒng)和電源電子電路控制依照又一方面，提供了一種包括了上述類型的軸向氣隙電機(jī)以及連接和控制機(jī)器的電源電子電路裝置的電動(dòng)機(jī)器系統(tǒng)。該系統(tǒng)可作為電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)或它們的結(jié)合工作。電動(dòng)機(jī)必須直接或通過(guò)DC電源的換向供給以AC電源。雖然機(jī)械換向已長(zhǎng)久地用在電刷類型的機(jī)器中，大功率半導(dǎo)體裝置的可用性使得用于許多現(xiàn)代永磁電機(jī)的無(wú)刷電子換向裝置的設(shè)計(jì)成為可能。在發(fā)電模式下，機(jī)器(除非采用機(jī)械換向)固有產(chǎn)生交流電。大部分機(jī)器說(shuō)明同步工作，這表示交流輸入或輸出功率的頻率與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和磁極數(shù)目成正比。因而直接連接到電力線路上的同步電機(jī)工作在特定的速度，而變化可以通過(guò)改變磁極數(shù)目實(shí)現(xiàn)，電網(wǎng)有例如電力工業(yè)常使用的50或60Hz線路或通常在船舶和航空系統(tǒng)中使用的400Hz線路。對(duì)于同步發(fā)電，原動(dòng)力的旋轉(zhuǎn)頻率必須受控制以提供穩(wěn)定的頻率。一些情況下，原動(dòng)力固有產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)頻率過(guò)高或過(guò)低，使得對(duì)于已知的機(jī)器設(shè)計(jì)，磁極數(shù)目在實(shí)際界限內(nèi)的電機(jī)無(wú)法適應(yīng)。在這種情況下，旋轉(zhuǎn)的機(jī)器不能直接連接至機(jī)械軸，因此通常必須采用變速箱，盡管此附屬物增加了復(fù)雜性和效率上的損失。例如，風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)如此之慢，以致在常規(guī)電機(jī)中將需要過(guò)高的磁極數(shù)目。另一方面，為了以要求的機(jī)械效率正常運(yùn)行，典型的燃?xì)鉁u輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)如此至快，以致磁極數(shù)目很低時(shí)產(chǎn)生的頻率仍不可接受地高。電動(dòng)和發(fā)電應(yīng)用的備選方案是主動(dòng)電源轉(zhuǎn)換。包括了帶有上述類型的堆疊式繞組的定子組件的本電動(dòng)機(jī)器的實(shí)施例有利地與主動(dòng)電源轉(zhuǎn)換一起使用，特別是在與寬范圍和/或不同的電源需求有關(guān)的應(yīng)用中。
如本文所使用，術(shù)語(yǔ)“電源電子電路”理解為表示適合于將作為直流電(DC)或具有特定頻率和波形的交流電(AC)供給的電力轉(zhuǎn)換為DC或AC的電力輸出的電子電路，輸出和輸入在電壓、頻率和波形上至少有一方面不同。這種轉(zhuǎn)換由電源電子電路轉(zhuǎn)換線路完成。對(duì)于除了使用普通的保持頻率的變壓器對(duì)AC電源進(jìn)行簡(jiǎn)單的電壓變換，以及將AC進(jìn)行簡(jiǎn)單的橋式整流以提供DC之外的轉(zhuǎn)換，現(xiàn)代的電源轉(zhuǎn)換通常采用非線性半導(dǎo)體器件和其他提供主動(dòng)控制的相關(guān)元件。
如上文更詳細(xì)地討論的那樣，依照本發(fā)明構(gòu)建的機(jī)器可在比常規(guī)裝置寬的多的轉(zhuǎn)動(dòng)速度范圍內(nèi)作為電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)工作。許多情況下，此前電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)應(yīng)用中均需要的變速箱可以去除。然而，得到的有利之處通常同樣要求使用電源電子電路，與常規(guī)機(jī)器中采用的電路相比，該電源電子電路可工作在的更寬電子頻率范圍的。
對(duì)于電動(dòng)機(jī)器系統(tǒng)的電動(dòng)應(yīng)用，機(jī)器被連接至電源，例如電力線路、電化學(xué)電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池或其他任何適合的電能源。任何必要類型的機(jī)械負(fù)載可連接在機(jī)器軸上。在發(fā)電模式下，機(jī)器軸機(jī)械地連接在原動(dòng)力上且系統(tǒng)連接在電負(fù)載上，該負(fù)載可包括任何形式的電器或電能儲(chǔ)存器。該機(jī)械系統(tǒng)也可作為再生式電動(dòng)系統(tǒng)使用，例如作為連接在車輛驅(qū)動(dòng)輪上的系統(tǒng)，交替為車輛提供機(jī)械推動(dòng)力和將車輛的動(dòng)能重新轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存在電池中以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。
在本軸向氣隙機(jī)械系統(tǒng)中有用的電源電子電路裝置通常必須包括具有足夠動(dòng)態(tài)范圍的主動(dòng)控制，以適應(yīng)機(jī)械和電子負(fù)載的預(yù)期變化，同時(shí)保持良好的機(jī)電運(yùn)行、調(diào)整和控制。該裝置必須在前述每次旋轉(zhuǎn)過(guò)程中變化的磁導(dǎo)引起的相位阻抗的范圍內(nèi)良好工作。任何形式的電源轉(zhuǎn)換布局均可使用，包括采用升壓、補(bǔ)償和回掃轉(zhuǎn)換器以及脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)穩(wěn)壓器。電壓和電流的相位優(yōu)選均可獨(dú)立控制，且電源電子電路的控制可在有或沒有直接的軸位置傳感時(shí)工作。此外，優(yōu)選提供四象限控制，使得機(jī)器可順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)且可按照電動(dòng)或發(fā)電模式運(yùn)行。優(yōu)選同時(shí)包括電流環(huán)和速度環(huán)控制電路，其中扭矩模式和速度模式控制均可采用。為了運(yùn)行的穩(wěn)定，電源電子電路裝置必須優(yōu)選具有預(yù)期轉(zhuǎn)換頻率的約10倍的控制環(huán)頻率范圍。對(duì)于本系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)機(jī)器運(yùn)行達(dá)到約2kHz的轉(zhuǎn)換頻率則需要至少約20kHz的控制環(huán)頻率范圍。電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)方式中使用的控制器通常采用IGBT半導(dǎo)體開關(guān)元件。這些器件呈現(xiàn)出隨頻率升高的開關(guān)損耗，因而通常優(yōu)選工作在最高約1000Hz的轉(zhuǎn)換頻率下。電機(jī)系統(tǒng)因而優(yōu)選有利地設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)換頻率在從約600至1000Hz的范圍，使得較便宜的IGBT可以使用，同時(shí)保留了因低損耗材料的使用而得以實(shí)現(xiàn)的更高的工作頻率帶來(lái)的有利之處(如提高的功率密度)。對(duì)于發(fā)電應(yīng)用，合適的整流橋甚至允許在更高的轉(zhuǎn)換頻率下運(yùn)行。
以上以相當(dāng)完整的細(xì)節(jié)對(duì)本發(fā)明作出了說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解不需要嚴(yán)格遵循這些細(xì)節(jié)，而本領(lǐng)域的技術(shù)人員可想到各種變化和改進(jìn)。例如，雖然本文大體說(shuō)明了軸向氣隙電機(jī)，但也可依照本文公開的原理設(shè)計(jì)其他類型的電機(jī)，例如徑向氣隙電機(jī)或線性機(jī)器。此外，電機(jī)可包括除永磁機(jī)器以外的多種類型的電機(jī)，例如感應(yīng)機(jī)器、同步機(jī)器、同步磁阻機(jī)器、開關(guān)磁阻機(jī)器以及dc電磁機(jī)器。此外，其他類型的轉(zhuǎn)子和/或定子繞線方案也在本發(fā)明的范圍以內(nèi)。這些改進(jìn)也相應(yīng)被認(rèn)為包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)，如附加的權(quán)利要求所限定的。
權(quán)利要求
1.多相軸向氣隙電動(dòng)機(jī)器，包括(a)至少一個(gè)定子組件，其包括后鐵部分和多個(gè)齒部分，所述定子組件具有位于每相鄰的一對(duì)所述齒部分之間的槽和多個(gè)堆疊式定子相繞組，每個(gè)繞組環(huán)繞一個(gè)或多個(gè)所述齒部分；和(b)至少一個(gè)轉(zhuǎn)子組件，其受支撐以圍繞軸旋轉(zhuǎn)且包括多個(gè)磁極，所述轉(zhuǎn)子組件被布置和安放以便與所述至少一個(gè)定子組件發(fā)生磁性相互作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)器，其特征在于，所述繞組包括相等數(shù)量的上線圈和下線圈，所述上線圈中的每個(gè)與所述下線圈的其中一個(gè)串聯(lián)連接，在每個(gè)所述槽中都設(shè)有所述堆疊式定子相繞組的其中兩個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)器，其特征在于，所述定子組件包括低鐵芯損耗磁性材料，其包括由至少一種從由非晶金屬、納米晶金屬以及優(yōu)化鐵基合金構(gòu)成的集合中選出的材料構(gòu)成的薄片層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)器，其特征在于，當(dāng)在峰值電感水平“Bmax”以激勵(lì)頻率“f”工作時(shí)，所述低鐵芯損耗磁性材料由小于“L”的鐵芯損耗表征，其中，L由公式L＝12·f·B1.5+30·f2.3B2.3給出，鐵芯損耗、激勵(lì)頻率和峰值電感水平分別用瓦特/每千克、千赫茲和特斯拉計(jì)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子組件包括多個(gè)轉(zhuǎn)子永磁體，所述轉(zhuǎn)子永磁體以交替極性安放并圍繞所述轉(zhuǎn)子以大致相等的間隔沿圓周可靠地定位。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的機(jī)器，其特征在于，所述磁體為SmCo或FeNdB磁體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)器，其特征在于，所述槽每相每磁極比率的范圍為約0.25至1。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的機(jī)器，其特征在于，所述槽每相每磁極比率為0.50。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)器，其特征在于，其具有至少16個(gè)磁極。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)器，其特征在于，其適合于以自大約500Hz至3kHz范圍的轉(zhuǎn)換頻率運(yùn)行。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)器，其特征在于，其包括兩個(gè)定子組件和安放其間的轉(zhuǎn)子組件。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)器，其特征在于，其還包括設(shè)置在所述槽內(nèi)的冷卻機(jī)構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)器，其特征在于，所述機(jī)器是軸向氣隙裝置。
14.構(gòu)造電動(dòng)機(jī)器的方法，包括(a)提供至少一個(gè)包括后鐵部分和多個(gè)齒部分的定子組件，所述定子組件具有位于每對(duì)相鄰的所述齒部分間的槽和多個(gè)堆疊式定子相繞組，每個(gè)繞組環(huán)繞一個(gè)或多個(gè)所述齒部分；和(b)提供至少一個(gè)受支撐以圍繞軸旋轉(zhuǎn)且包括多個(gè)磁極的轉(zhuǎn)子組件，所述轉(zhuǎn)子組件被布置和安放成與所述至少一個(gè)定子組件發(fā)生磁性相互作用。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于，在每個(gè)所述槽中都設(shè)有兩個(gè)堆疊式相繞組，所述繞組包括相等數(shù)量的上線圈和下線圈，每個(gè)所述上線圈與所述下線圈的其中一個(gè)串聯(lián)連接。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于，所述定子組件包括低鐵芯損耗磁性材料，其包括由至少一種從由非晶金屬、納米晶金屬以及優(yōu)化鐵基合金構(gòu)成的集合中選出的材料構(gòu)成的薄片層。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于，所述定子組件形成為單一結(jié)構(gòu)，所述單一結(jié)構(gòu)由包括以下步驟的過(guò)程形成(a)螺旋地纏繞低鐵芯損耗磁性材料的所述疊片層的環(huán)形圈，所述環(huán)形圈具有內(nèi)直徑、外直徑以及環(huán)形圈高度；以及(b)切割多個(gè)基本沿著徑向方向從所述內(nèi)直徑延伸至所述外直徑的槽，且槽的深度小于所述環(huán)形圈高度。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)器，其特征在于，還包括連接和控制所述機(jī)器并可操作地連接在其上的電源電子電路裝置。
全文摘要
一種轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)器包括定子組件，該定子組件包括堆疊式定子線圈繞組。該機(jī)器優(yōu)選為多相軸向氣隙裝置。提高了的槽充滿率由疊式定子線圈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。裝置性能由此得到提高。電氣裝置的定子組件具有由低損耗高頻材料制造的磁芯。高磁極數(shù)使得電氣裝置能夠以高效率、高功率密度和提高的性能特性在高轉(zhuǎn)換頻率下工作。該裝置中采用的低損耗材料包括非晶金屬、納米晶金屬、優(yōu)化硅鐵合金、晶粒取向鐵基材料或非晶粒取向鐵基材料。
文檔編號(hào)H02K21/24GK1969440SQ200480039173
公開日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2004年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月3日
發(fā)明者A·D·希爾策爾 申請(qǐng)人:萊特工程公司