專利名稱：電機(jī)及其中所用的定子的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及電機(jī)及其中所用的定子。更具體地，本發(fā)明涉及基本上平面結(jié)構(gòu)的電機(jī)，例如無電刷電動(dòng)機(jī)，和其中所用的定子。
無電刷電動(dòng)機(jī)被建議用于或已經(jīng)用于各種用途?；旧?，這種電動(dòng)機(jī)分成至少兩種構(gòu)造；鼓型電動(dòng)機(jī)，其中電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子通常為圓柱形；平面型電動(dòng)機(jī)，其中電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子呈現(xiàn)為整體平面圓盤。盡管鼓型電動(dòng)機(jī)通常能夠產(chǎn)生更多的動(dòng)力，但平面型電動(dòng)機(jī)卻具有尺寸緊湊的優(yōu)點(diǎn)。
有利的是提供產(chǎn)生更多動(dòng)力的平面型或盤型無電刷電動(dòng)機(jī)。
平面型無電刷電動(dòng)機(jī)被建議與葉輪泵結(jié)合使用。參見，例如，授權(quán)Mizobuchi等人的美國專利4,806,080；授權(quán)Kricker等人的美國專利5,332,374；和授權(quán)Atsumi的美國專利5,407,331。始終需要提供由大功率平面型無電刷電動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)的新型葉輪泵，特別用于泵送液體，例如水或類似物。
發(fā)明綜述業(yè)已發(fā)展出新型電機(jī)、其中所用的定子和包括這種定子的泵。本發(fā)明利用了這樣的發(fā)展，即與尺寸基本相同并且包括由固體金屬元件制造的定子的類似電機(jī)相比，包含一團(tuán)金屬顆粒，最好是壓制金屬顆粒的電機(jī)定子提供了效率更高的、功率更大的電機(jī)，最好是無電刷電動(dòng)機(jī)，其具有較長的使用壽命和/或產(chǎn)生更多的或增強(qiáng)的動(dòng)力。
如果不希望將本發(fā)明限制于任何特定的操作理論，則相信包含一團(tuán)金屬顆粒的本發(fā)明的定子能夠有效地消除或者減輕在定子中產(chǎn)生的渦流的有害作用。這種渦流減少電機(jī)的效率，例如，無電刷電動(dòng)機(jī)的有效動(dòng)力產(chǎn)生能力。無論如何，業(yè)已發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的電機(jī)，包括包含一團(tuán)金屬顆粒的定子，在很多應(yīng)用中功率強(qiáng)大并且有效。
本發(fā)明的定子可用于任何電機(jī)，例如，電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、交流發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組合裝置、電動(dòng)機(jī)/轉(zhuǎn)速計(jì)組合裝置、變頻器和類似裝置。電機(jī)最好是無電刷型的，最好是無電刷直流(DC)型的。在下文中將大量使用術(shù)語“電動(dòng)機(jī)”，其意思是在其范圍內(nèi)包含或包括任何這種電機(jī)。
這種定子的一處特別實(shí)用的用途是用在為工作部件，例如泵和壓縮機(jī)的葉輪、風(fēng)扇葉片、混合和摻合設(shè)施等提供動(dòng)力的無電刷電動(dòng)機(jī)中。一種非常有利的構(gòu)造提供了與轉(zhuǎn)子結(jié)合使用的這種定子，其中轉(zhuǎn)子與工作部件是一體的。由這種無電刷電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的泵，如液體輸送泵是本發(fā)明設(shè)備的非常有利的實(shí)施例。
本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)、定子、設(shè)備和泵在構(gòu)造上比較簡單并且易于使用。這些電動(dòng)機(jī)、定子、設(shè)備和泵提供了高度的可靠性和長的有效壽命，并且提供了提高性能和/或成本效益一種或多種優(yōu)點(diǎn)。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及電動(dòng)機(jī)(電機(jī))，最好是無電刷電動(dòng)機(jī)，其包括一個(gè)轉(zhuǎn)子和一個(gè)定子。轉(zhuǎn)子具有一轉(zhuǎn)動(dòng)軸線，并且包括設(shè)置在一大致平面陣列中的一組永磁極。定子包含一團(tuán)金屬顆粒，最好是一團(tuán)壓制的金屬顆粒，該定子與永磁極的大致平面陣列間隔開并與其面對(duì)。定子具有一組磁性繞組，這些磁性繞組定位成并適于在其通電時(shí)使轉(zhuǎn)子繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
與其中的定子包含固體金屬物質(zhì)或元件而不是一團(tuán)壓制金屬顆粒的類似電動(dòng)機(jī)相比，在這種電動(dòng)機(jī)的操作中可有利地實(shí)現(xiàn)減少渦流。此外，與只用聚合材料制造的定子主體相比，本發(fā)明的定子主體提供了在定子和轉(zhuǎn)子之間具有減小的有效空氣間隙的電動(dòng)機(jī)，該特征最終產(chǎn)生了比帶有用聚合材料制造的定子的類似電動(dòng)機(jī)功率更大的電動(dòng)機(jī)。本發(fā)明的定子最好基本上由一團(tuán)壓制的金屬顆粒組成。一團(tuán)壓制金屬顆粒有利地具有至少等于固體金屬元件理論密度的約95％的密度。在一個(gè)非常實(shí)用的實(shí)施例中，定子包括基本上線性針狀金屬顆粒，具有基本上三角形的形狀。
本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)最好是無電刷直流(DC)電動(dòng)機(jī)，例如，無電刷直流單(1)相、兩(2)相或多相，例如三(3)相電動(dòng)機(jī)。
本發(fā)明的定子最好包括板，例如，基本上平面形的板和一組間隔開的凸出部分或齒形物，包括一團(tuán)例如這里所述的金屬顆粒。本發(fā)明定子的板具有第一端面、大致相對(duì)的第二端面和位于其間的周邊表面。許多間隔開的凸出部分從第二端面離開板延伸，并與板的第二端面一起在其間限定了一組槽。
板最好具有一中心軸線，該中心軸線與第一端面和第二端面都相交。許多凸出部分中的每一個(gè)都最好從周邊表面向內(nèi)延伸并在與中心軸線相交之前終止。
許多槽中的每一個(gè)槽都最好在限定該槽的兩個(gè)相鄰?fù)钩霾糠种g具有基本恒定的尺寸。在一個(gè)非常實(shí)用的實(shí)施例中，板和凸出部分是整體的，即由單個(gè)或整體元件構(gòu)成。
提供了用于完成有用工作的設(shè)備，其包括工作構(gòu)件、轉(zhuǎn)子和定子。工作構(gòu)件，如泵或壓縮機(jī)葉輪、風(fēng)扇葉片、混合和摻合設(shè)施、其它在與工作構(gòu)件等接觸的物質(zhì)上完成有用工作的組件，包括一轉(zhuǎn)動(dòng)軸線并安裝成繞該轉(zhuǎn)動(dòng)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。工作構(gòu)件被構(gòu)造和定位為使得工作構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)能夠在與工作構(gòu)件接觸的物質(zhì)上。轉(zhuǎn)子聯(lián)接在，最好直接聯(lián)接在工作構(gòu)件上并與其一起轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子包括一組設(shè)置在大體平面陣列內(nèi)的永磁極。如上所述，定子適合在通電時(shí)使轉(zhuǎn)子和工作構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)。
如這里所使用的，當(dāng)涉及工作構(gòu)件和轉(zhuǎn)子之間的關(guān)系時(shí)，術(shù)語“直接聯(lián)接”指這樣的裝置，在該裝置中工作構(gòu)件和轉(zhuǎn)子直接相互固定或連接，這樣沒有動(dòng)力傳遞組件，例如，軸、齒輪裝置或類似物將動(dòng)力從轉(zhuǎn)子傳遞到工作構(gòu)件。該“直接聯(lián)接”關(guān)系可以認(rèn)為是整體的轉(zhuǎn)子/工作構(gòu)件組合，其非常有效地向工作構(gòu)件提供動(dòng)力，同時(shí)減少設(shè)備的尺寸和空間要求。
在一個(gè)非常實(shí)用的實(shí)施例中，工作構(gòu)件和定子呈現(xiàn)為整體或單個(gè)元件，例如，用基本均勻的成分制造的元件。
提供了泵，其包括泵殼、葉輪、轉(zhuǎn)子和定子。泵殼具有一進(jìn)口和一出口。葉輪具有一轉(zhuǎn)動(dòng)軸線并可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在泵殼內(nèi)以繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。葉輪相對(duì)泵殼構(gòu)造和定位成使得葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)能夠有效地促使流體從進(jìn)口流向出口。轉(zhuǎn)子聯(lián)接于葉輪并與其一起轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子包括一組設(shè)置在一大體平面陣列中的永磁極。如上所述，定子適合在通電時(shí)使轉(zhuǎn)子和葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。
與在定子中不使用一團(tuán)金屬顆粒而是使用固體金屬物質(zhì)或元件的類似設(shè)備和泵相比，在操作過程中本發(fā)明的工作設(shè)備和泵有利地提供了增加的或增強(qiáng)的動(dòng)力，并且更有利地減少了有害的渦流作用。
這里公開的特征中的每一個(gè)都包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，本發(fā)明公開的特征的所有不互斥或互相矛盾的組合也包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
在下面的特別結(jié)合附圖考慮的詳細(xì)描述和權(quán)利要求書中可以明顯地看到本發(fā)明的這些和其它方面及優(yōu)點(diǎn)，在附圖中類似的零件具有類似的參考標(biāo)號(hào)。
附圖簡要描述

圖1為根據(jù)本發(fā)明的定子的透視圖；圖2為圖1中所示定子的前平面圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的定子替代實(shí)施例的透視圖；圖4為圖3中所示定子的前平面圖；圖5為用于構(gòu)成圖1至4中所示定子的金屬顆粒的透視圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明完全組裝好的泵的透視圖；圖7為圖6中所示泵的透視圖，其中為表示清楚而將零件分解了；圖8為基本沿圖6的線8-8取的橫截面視圖；圖9為基本沿圖8的線9-9取的橫截面視圖；圖10為圖7中所示泵的轉(zhuǎn)子的前平面圖；圖11為圖6中所示泵中心區(qū)域的放大部分橫截面視圖，其強(qiáng)調(diào)了定子和轉(zhuǎn)子之間的空間；圖12為基本沿圖11的線12-12取的橫截面視圖；圖13A、13B和13C為圖7中所示泵的定子的前平面圖，其展示了六(6)極、三(3)相電動(dòng)機(jī)用的繞組圖樣；圖14A、14B和14C為圖3和4中所示定子的前平面圖，其展示了六(6)極、三(3)相電動(dòng)機(jī)用的繞組圖樣；圖15為根據(jù)本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)替代實(shí)施例側(cè)剖面示意性視圖；圖16為圖15中所示實(shí)施例的另一個(gè)俯視示意性視圖；圖17為根據(jù)本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)剖面示意性視圖；圖18為圖17中所示實(shí)施例的另一個(gè)俯視示意性視圖。
優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)描述現(xiàn)在參見附圖，根據(jù)本發(fā)明整體表示為10的定子包括基本平面形的板12，板具有一背面14、一大致相對(duì)的前面16和位于其間的周邊表面18。從大致平坦的前面16和周邊表面18延伸的是一系列九(9)個(gè)凸出部分，這些凸出部分離開前面并從周邊表面徑向向內(nèi)延伸，并終止于定子10的中心軸線22之前。
凸出部分20中的每一個(gè)都包括一外周邊表面24、一內(nèi)周邊表面26和兩個(gè)(2)尺寸相等的側(cè)表面28。相鄰?fù)钩霾糠?0之間的側(cè)表面28與前面16一起構(gòu)成了一個(gè)槽30。每個(gè)槽30都大小相等，并且從周邊表面12和外周邊表面24徑向向內(nèi)具有一基本恒定的尺寸。一系列三(3)個(gè)凹口32位于定子10的三(3)個(gè)相鄰?fù)钩霾糠?0上。這些凹口32中的每一個(gè)都適合容納并保持一個(gè)霍耳傳感器。這些霍耳傳感器用于控制包括定子10的電動(dòng)機(jī)的操作。
定子10應(yīng)用在三(3)相直流(DC)無電刷電動(dòng)機(jī)中特別有效。但是，組成上與定子10類似的定子也可應(yīng)用在單(1)相、兩(2)相或多相直流無電刷電動(dòng)機(jī)中。在槽30中提供了電繞組。這種繞組的一種圖樣展示在圖13a、13b和13c中。為簡明起見，在圖13a、13b和13c中的每一個(gè)中只表示了一個(gè)繞組(在圖14a、14b和14c中也是一樣的)。但是，在每一個(gè)槽30中最好包括較大數(shù)量的繞組，繞組的數(shù)量是根據(jù)希望的電動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出來選擇的。
本發(fā)明定子10的一個(gè)重要特征是其用一團(tuán)金屬顆粒制造。具體地，定子10用一團(tuán)壓制金屬顆粒制造。金屬的這種顆粒，例如，具有磁性的金屬，即被吸向磁體的金屬如鐵、鎳、鈷、其它磁性金屬及類似物，合金，如鋼、鐵和/或具有磁性的金屬或多種金屬與鉬、錳、鉻、碳、硫、硅、銅、鎳、釩、鈮、金、鋁、磷等及它們的混合物制成的合金，最好是基本線性的針狀顆粒，其具有基本上三角形的形狀。這種顆粒在圖5中整體以34表示。定子10可以，并且最好，是根據(jù)授權(quán)Krause等的美國專利5,594,186制備的，該專利的公開文本整體結(jié)合在這里作為參考。
金屬顆粒34的尺寸最好為高(圖5中的H尺寸)約0.002到約0.05英寸，沿底部(圖5中的B尺寸)約0.002到約0.05英寸，長度(圖5中的L尺寸)約0.006到約0.20英寸。金屬顆粒最好具有基本三角形的橫截面和小于3比1的體積壓實(shí)比，具有足夠的顆粒流動(dòng)性質(zhì)以允許經(jīng)濟(jì)地制造密度至少約為固體金屬元件理論密度的95％，更好地約為96％的定子。
應(yīng)該注意到，可用于制造本發(fā)明的定子的金屬顆?？梢跃哂腥魏魏线m的尺寸、形狀和構(gòu)造。這種顆粒最好具有這樣的構(gòu)造，即使得與定子不是用一團(tuán)這種顆粒而是用固體金屬制造的類似電動(dòng)機(jī)相比，如這里所述的包括用一團(tuán)這種顆粒制造的定子的平面型電動(dòng)機(jī)能夠產(chǎn)生增加的動(dòng)力和/或減少有害的渦流作用。而且，在本發(fā)明中使用的具有基本三角形橫截面的金屬顆粒不局限于圖5中所示的實(shí)施例。這種金屬顆?？删哂歇?dú)立地凸出的、凹進(jìn)的和/或平面形的縱向表面。
此外，本發(fā)明的定子可以混合物的形式制造，其中金屬顆粒與一種或多種其它材料例如聚合材料、木材和類似物及它們的混合物結(jié)合，例如涂層、混合或用其它方式組合。這種組合定子應(yīng)該包括足夠量的金屬顆粒以能夠有效地起到定子的作用并提供至少一種這里所述的益處或優(yōu)點(diǎn)。這種組合定子可利用傳統(tǒng)的組合制造技術(shù)，例如，混合、涂層、壓縮、造型、噴射模制等進(jìn)行制造。
本發(fā)明的定子10可以通過包括下列步驟的傳統(tǒng)的金屬粉末工藝制備(1)形成包括金屬顆粒和滑潤劑的金屬顆?；旌衔?；(2)冷單軸壓縮混合物以形成具有高生坯密度和良好生坯強(qiáng)度的未燒結(jié)壓制品；(3)以足夠高的溫度加熱未燒結(jié)壓制品以使滑潤劑熱解并形成金屬定子；(4)可選擇地在足夠高的溫度將定子燒結(jié)足夠長的時(shí)間以給予定子附加的強(qiáng)度并形成燒結(jié)的定子；(5)冷卻定子或燒結(jié)的定子，然后對(duì)定子進(jìn)行可選擇的輔助操作以提供成品金屬構(gòu)件。最好，該方法包括單獨(dú)的冷單軸壓縮步驟、單獨(dú)的加熱步驟、單獨(dú)的燒結(jié)步驟，并且提供密度至少為理論密度的95％，最好至少為96％的生坯和定子，和與生坯尺寸及形狀基本相同的成品定子。
使用的滑潤劑通常是密度約為0.8到1g/cc(克每立方厘米)的有機(jī)化合物。與此相反，粉末狀金屬通常密度為約6到8g/cc。從而，如果以容積計(jì)算，即使重量很少的滑潤劑也會(huì)占據(jù)模具容積的很大部分。為獲得高密度，最好使滑潤劑占據(jù)的容積最小。因此，滑潤劑的量最好是約為金屬顆?；旌衔镏亓康?.015％到0.4％，更有利的是約為0.015％到0.25％。
滑潤劑是在加熱溫度時(shí)可分解或熱解的有機(jī)化合物。熱解產(chǎn)物是氣體，其在加熱過程中排出。滑潤劑在室溫下可以是固體，并以特定形式結(jié)合在金屬顆?；旌衔镏?。滑潤劑的實(shí)例包括乙烯雙硬脂酸氨、C12到C20脂肪酸，例如，硬脂酸及類似物、石蠟、合成臘和/或天然臘、聚乙烯、脂肪二酯、脂肪聯(lián)氨和類似物及它們的混合物，但并不局限于此。有機(jī)酸鹽，如鋅、鋰、鎳、鐵、銅、和/或鎂硬脂酸鹽，也可用作滑潤劑。但是，酸鹽滑潤劑會(huì)在成品定子中留下金屬氧化副產(chǎn)物。金屬氧化副產(chǎn)物會(huì)不利地影響定子。
對(duì)于其它關(guān)于制造定子10的詳細(xì)內(nèi)容，請(qǐng)參考上述授權(quán)Krause等人的專利。
圖3和4所示為整體表示為40的基本類似的定子，其與定子10基本類似。與定子10的部件對(duì)應(yīng)的定子40的部件以增加30后的相同參考標(biāo)號(hào)標(biāo)識(shí)。
定子40與定子10之間的主要區(qū)別是凸出部分50相對(duì)凸出部分20的數(shù)量和尺寸。具體地，與九(9)個(gè)凸出部分20相對(duì)，定子40具有十八(18)個(gè)凸出部分50。凸出部分50中的每一個(gè)尺寸上都基本小于凸出部分20。
定子40可應(yīng)用在三(3)相電動(dòng)機(jī)中，其中電繞組提供在定子的槽60中，利用了如圖14a、14b和14c中所示的繞組圖樣。當(dāng)然，與定子40構(gòu)造相似的定子可應(yīng)用在單(1)相、兩(2)相或多相直流無電刷電動(dòng)機(jī)中。
在下面的描述中，使用了定子10。但是，應(yīng)該注意到，同樣也可使用定子40。
根據(jù)本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)/工作部件說明如下。整體表示為110的電動(dòng)機(jī)/泵組合裝置包括一殼體112，殼體112由泵蓋114、泵殼116、橫隔殼體元件118、定子殼體120、控制殼體122和控制蓋124組成。組合裝置110的這些殼體部件利用許多傳統(tǒng)的螺旋式緊固零件126固定在一起，其中緊固零件126穿過從泵蓋114到控制蓋124的每一個(gè)殼體部件。傳統(tǒng)的緊固零件螺母127聯(lián)接在緊固零件126上以將緊固零件保持在位置上。
泵蓋114包括液體進(jìn)口120，泵殼116包括液體出口132。如圖8中所示，葉輪134、轉(zhuǎn)子136和定子10(包括未示出的磁性繞組)定位在組裝好的組合裝置110中。橫隔殼體元件118具有橫隔板138，橫隔板138包括位于中心的凸起部140。橫隔殼體元件118和橫隔板138的組合裝置是整體形成的結(jié)合并構(gòu)成靜態(tài)密封件，該靜態(tài)密封件防止定子10暴露給被泵送的液體。定子10布置在定子殼體120中?？刂茪んw122容納用于控制定子10的操作或起動(dòng)的控制裝置。
如圖8中所示，位于中心的凸起部140的結(jié)構(gòu)做成在端部146支撐固定軸144，固定軸144為管形(中空的或?qū)嵭牡?構(gòu)造。凸起部140和/或軸144的端部146用鍵聯(lián)接或者包括接合平面，這有利于使軸相對(duì)于凸起部保持固定。軸144伸出到橫隔板138之外，穿過環(huán)形轉(zhuǎn)子136的中心開口148進(jìn)入到葉輪134中。
葉輪134包括開口152，開口152沿背離進(jìn)口130的方向延伸，其結(jié)構(gòu)做成允許軸144和轉(zhuǎn)動(dòng)軸承154被容納在其中。位于開口152中的軸144端部155是自由的，即其沒有固定在葉輪134上。此外，止推軸承156定位在140中并保持固定。該止推軸承156面向軸承154的背面158(圖8)，軸承154與葉輪134和轉(zhuǎn)子136一起繞軸144轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)閬碜赞D(zhuǎn)子136的軸向力與由壓力升高造成的力相反，所以凈推力被減少，因此止推軸承156可以較小。
如圖10中所示，環(huán)形轉(zhuǎn)子136包括一系列(6)個(gè)交替的永磁極159。永磁極159是交替的北(N)和南(S)磁極，設(shè)置在一圓形陣列中并且面對(duì)定子10。此外，轉(zhuǎn)子136包括背離定子10延伸的的環(huán)形區(qū)域161，該區(qū)域具有鐵磁性。環(huán)形區(qū)域161與永磁極159區(qū)域一起垂直于電動(dòng)機(jī)/泵組合裝置110的軸線170延伸。帶有鐵之類軟磁材料的磁性的區(qū)域161增強(qiáng)了定子10和轉(zhuǎn)子136之間的相互作用，從而增強(qiáng)了轉(zhuǎn)子136響應(yīng)位于定子10上的磁繞組而轉(zhuǎn)動(dòng)的能力并且增強(qiáng)了動(dòng)力產(chǎn)生能力。
轉(zhuǎn)子136可以用單獨(dú)的磁性部分和一位于轉(zhuǎn)子背側(cè)(背離定子10)的鐵區(qū)域或鐵層(對(duì)應(yīng)區(qū)域161)制成，其中磁性部分用于提供永磁極，鐵區(qū)域或鐵層用于提供軟磁材料的磁性。一種替代方法是利用環(huán)形磁鐵代替單獨(dú)的磁性部分，以與具有軟磁材料磁性的鐵或類似物的背面層或背面區(qū)域一起提供許多永磁極。但是，轉(zhuǎn)子136最好為整體構(gòu)造，例如，用熱塑聚合主材料，如聚丙烯及類似物，與鍶鐵氧體及類似顆粒的復(fù)合材料制造，這種復(fù)合材料可以被磁化以提供交替的永磁極159和具有軟磁材料磁性的背離定子10的環(huán)形區(qū)域161。
在這種復(fù)合轉(zhuǎn)子的制造過程中，調(diào)整每種成份的百分比以獲得磁性和結(jié)構(gòu)特性的理想平衡。復(fù)合轉(zhuǎn)子可以通過注射模制工藝制造，在該工藝中將混合的成份加熱到可以流動(dòng)，然后強(qiáng)迫其進(jìn)入封閉的空腔模具中。當(dāng)混合的材料仍在模具中時(shí)，給相對(duì)模具適當(dāng)定位的磁化設(shè)備通電，從而將混合材料中的磁性顆粒排列起來。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，不是具有穿過轉(zhuǎn)子136時(shí)與極面垂直的通量線，而是轉(zhuǎn)子背面區(qū)域(相應(yīng)于區(qū)域161)的內(nèi)部通量轉(zhuǎn)向平行于極面表面并指向相鄰的極性相反的極。實(shí)質(zhì)上，這在轉(zhuǎn)子136內(nèi)產(chǎn)生了通量返回通路并且不再需要單獨(dú)的磁性零件(背面的鐵)。
這里所述的整體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子136是環(huán)形磁鐵的一個(gè)實(shí)例，該環(huán)形磁鐵具有這樣的附加特征，即結(jié)構(gòu)的區(qū)域161(圖7)被磁化以具有軟磁材料的磁性。具有這種整體結(jié)構(gòu)提供了明顯的益處。例如，實(shí)現(xiàn)了重量的減少，這可減少泵的磨損和振動(dòng)。而且，使用整體轉(zhuǎn)子136減少了在組合裝置110中包含的零件數(shù)量。
葉輪134包括一系列弧形葉片160，葉片位于進(jìn)口130和出口132之間的主要液流通路中。在葉輪134轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉片能夠給予通過進(jìn)口130的液體離心能，這促使液體在增加的壓力作用下穿過出口132流出。這樣，葉輪34和葉片60提供了電動(dòng)機(jī)/泵組合裝置110中的主要泵送作用。
葉輪134與轉(zhuǎn)子136直接聯(lián)接，即與轉(zhuǎn)子136是一體的。這樣，葉輪134直接響應(yīng)轉(zhuǎn)子136的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，在這兩個(gè)部件之間沒有聯(lián)接或動(dòng)力傳遞組件，如軸、齒輪裝置或類似物。該直接聯(lián)接特征減少了組合裝置110的尺寸和需要的部件數(shù)量。在一個(gè)非常實(shí)用的實(shí)施例中，葉輪134和轉(zhuǎn)子136呈現(xiàn)為單個(gè)元件或整體元件。例如，可利用傳統(tǒng)技術(shù)形成單個(gè)零件并且根據(jù)本發(fā)明該單個(gè)零件運(yùn)行得非常有效，該單個(gè)零件，例如，可用前面關(guān)于轉(zhuǎn)子136所述的復(fù)合材料制造，其結(jié)構(gòu)做成或構(gòu)造成包括葉輪134和轉(zhuǎn)子136。僅通過將葉輪和轉(zhuǎn)子考慮成單個(gè)零件來將這種整體葉輪134/轉(zhuǎn)子136表示在附圖中。這種整體葉輪(工作構(gòu)件)134/轉(zhuǎn)子136所提供的優(yōu)點(diǎn)包括尺寸減少、元件數(shù)量減少和易于裝配。
垂直于泵110的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線170的轉(zhuǎn)子136的最大磁橫截面面積大于垂直與該軸線的葉輪134的最大橫截面面積。使用較大的轉(zhuǎn)子136能夠獲得，例如，比鼓型無電刷電動(dòng)機(jī)/泵組合裝置更短的殼體輪廓。此外，較大的轉(zhuǎn)子136提供了與橫隔板138相鄰的較大面積，該面積用于將熱消散到，例如，來自進(jìn)口130的液體中(如后面所述)，從而減少或甚至消除對(duì)旁通冷卻通道的需要。而且，大轉(zhuǎn)子136提供了組合裝置110擴(kuò)散部分需要的額外面積，所以浪費(fèi)的空間更少。而且，比葉輪134大的轉(zhuǎn)子136向葉輪提供了增加的動(dòng)力，同時(shí)減少了葉輪相對(duì)轉(zhuǎn)子的重量。由于被轉(zhuǎn)動(dòng)的重量更少，所以組合裝置110運(yùn)行得更有效。換句話說，更多的由定子10和轉(zhuǎn)子136之間的相互作用產(chǎn)生的動(dòng)力被傳遞給通過出口泵出的液體。
定子10包括許多磁繞組172(參見圖13A、13B和13C)，這些繞組定位為當(dāng)給繞組通電時(shí)能夠與轉(zhuǎn)子136的永磁極159相互作用以使轉(zhuǎn)子和葉輪134轉(zhuǎn)動(dòng)。定子136、轉(zhuǎn)子10(帶有繞組172)和控制殼體122中的控制裝置的組合構(gòu)成了一個(gè)六(6)極、三(3)相無電刷直流電動(dòng)機(jī)組件。在該實(shí)施例中，定子10上的繞組172可以為如圖13A、13B和13C中所示的結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，本發(fā)明不局限于任何特定的永磁極數(shù)量或者局限于任何特定相或許多相的電動(dòng)機(jī)。本發(fā)明電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)/泵組合裝置的盤形或平面形布置方式在尺寸、永磁極數(shù)量和電動(dòng)機(jī)構(gòu)造方面是非常靈活的。
包括在控制殼體122中的控制裝置起作用以控制定子10的操作，從而提供轉(zhuǎn)子146和葉輪134的理想的轉(zhuǎn)動(dòng)。這些控制裝置可以基于傳統(tǒng)的并且為該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所公知的電子技術(shù)。具體地，可以利用在操作無電刷直流電動(dòng)機(jī)中使用的控制裝置。由于這種控制裝置是傳統(tǒng)的并且為該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所公知，所以為實(shí)施本發(fā)明不需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述，因此這里不再介紹了。
效率的提高是通過減少電動(dòng)機(jī)/泵組合裝置110的運(yùn)行摩擦來實(shí)現(xiàn)的。這是通過，至少部分通過，利用一部分來自進(jìn)口130的液體在轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子136和葉輪134與固定的機(jī)架，即橫隔板138、定子10和相關(guān)部件之間建立液體薄膜來實(shí)現(xiàn)的。該液體薄膜是按照下面的方面提供的。
特別參考圖11和12，一部分來自進(jìn)口130的液體進(jìn)入到葉輪134中的流動(dòng)通道173中。軸承154包括一系列四(4)個(gè)流動(dòng)通道174，這些流動(dòng)通道沿軸144的外表面176在軸承154的整個(gè)長度上延伸。這些流動(dòng)通道174通到橫隔板138和葉輪134背面178之間的空間內(nèi)。而且，如圖12中所示，背面178包括一系列徑向延伸的葉片180，葉片可與葉輪134一起轉(zhuǎn)動(dòng)并且定位為促使來自流動(dòng)通道174的液體流入橫隔板138與葉輪134和轉(zhuǎn)子136之間的空間內(nèi)。該液體形成薄膜，該薄膜減少電動(dòng)機(jī)/泵組合裝置110的轉(zhuǎn)動(dòng)和非轉(zhuǎn)動(dòng)部件之間的摩擦并將轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量從轉(zhuǎn)動(dòng)位置導(dǎo)出，從而促進(jìn)組合裝置更有效地操作。液體與出口132流體連通，這樣在流動(dòng)通道174以及葉輪134和轉(zhuǎn)子136與橫隔板138之間的空間182內(nèi)提供了連續(xù)的液流。
橫隔殼體元件118和橫隔板138提供了組合裝置110的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，例如，轉(zhuǎn)子136和葉輪134，與泵的非轉(zhuǎn)動(dòng)或固定部分，例如，定子10，之間的密封。這樣，沒有轉(zhuǎn)動(dòng)元件穿過由橫隔殼體元件118和橫隔板138限定的密封板。在組合裝置110的固定或電磁部分，例如定子10，中沒有運(yùn)動(dòng)的零件。所述運(yùn)動(dòng)零件都結(jié)合到組合裝置110的轉(zhuǎn)動(dòng)部分中。這種集成的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)特征減少了泵110的磨損，并且避免定子10暴露給被泵送的液體。
被定位的橫隔板138具有一種構(gòu)形和/或由能夠?yàn)殡妱?dòng)機(jī)/泵組合裝置110提供一種或多種增強(qiáng)的材料制造。因而，橫隔板138位于轉(zhuǎn)子136和定子10之間，并且包括一個(gè)或多個(gè)區(qū)域，特別是與轉(zhuǎn)子直接面對(duì)的區(qū)域，這些區(qū)域與定子接觸并由定子在結(jié)構(gòu)上支撐。允許定子10在結(jié)構(gòu)上支撐至少橫隔板138的一部分減少了組合裝置110的尺寸，并且允許使用較薄的材料膜或材料層作為橫隔板。例如，由定子10在結(jié)構(gòu)上支撐的橫隔板138的區(qū)域或多個(gè)區(qū)域最好厚度小于約30密耳。使用非常薄的橫隔板138能夠增加定子10上的繞組172和轉(zhuǎn)子136上的永磁極159之間的相互作用。這提高了定子10和轉(zhuǎn)子136之間相互作用的效率并且提高的動(dòng)力產(chǎn)生能力。
而且，橫隔板138，特別是與轉(zhuǎn)子136直接面對(duì)的橫隔板區(qū)域，最好用低磁導(dǎo)率材料制造，以便進(jìn)一步減少渦流的有害作用。橫隔板138降低的磁導(dǎo)率能夠增加定子10上的繞組172和轉(zhuǎn)子136上的磁極159之間的相互作用。高導(dǎo)熱系數(shù)允許有利地增加散熱，最終提高了電動(dòng)機(jī)/泵組合裝置110的壽命。
因?yàn)橹辽贆M隔板138的一部分是由定子10在結(jié)構(gòu)上支撐的，所以在制造橫隔板中使用的能滿足上述減少磁導(dǎo)率和增加導(dǎo)熱系數(shù)要求的材料范圍就很大了。換句話說，因?yàn)橹辽贆M隔板138的一部分是由定子10在結(jié)構(gòu)上支撐的，所以用于制造橫隔板的材料的強(qiáng)度就不是主要的考慮方面了。可用于制造橫隔板138的材料的實(shí)例有銅、奧氏體不銹鋼、聚合材料及類似物。
電動(dòng)機(jī)/泵組合裝置110構(gòu)造為使得橫隔板138能夠提供非常有效的靜態(tài)密封，這樣來自進(jìn)口130的液體不會(huì)與泵的固定部分，例如，定子10接觸。利用靜態(tài)密封而不是轉(zhuǎn)動(dòng)密封或其它運(yùn)動(dòng)密封減少了磨損并且提高了泵110的有效使用壽命。
殼體112的構(gòu)件和葉輪134可使用聚合材料制造。
在示意性表示在圖15和16中的另一個(gè)實(shí)施例中，整體表示為200的無電刷直流電動(dòng)機(jī)包括兩(2)個(gè)定子210和位于其間的一個(gè)轉(zhuǎn)子236。轉(zhuǎn)子236固定在電動(dòng)機(jī)軸202上。如圖16中所示，通量處于定子210之間。電動(dòng)機(jī)200可以認(rèn)為是疊置式電動(dòng)機(jī)，其中利用多個(gè)定子210使轉(zhuǎn)子236和電動(dòng)機(jī)軸202轉(zhuǎn)動(dòng)。這種疊置式布置增加了動(dòng)力。這種單個(gè)轉(zhuǎn)子和兩(2)個(gè)定子的組合可以用作更大的高度疊置的電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)件。
圖17和18展示了一個(gè)這種高度疊置的電動(dòng)機(jī)300，其由兩(2)對(duì)定子310構(gòu)成。提供了兩(2)個(gè)轉(zhuǎn)子336，其中的每一個(gè)位于不同對(duì)定子的定子310之間。兩個(gè)轉(zhuǎn)子336都連接在軸302上。
定子210和310都具有和前面所述的定子10基本相同的構(gòu)造。而且，轉(zhuǎn)子236和336也都具有和前面所述的轉(zhuǎn)子136基本相同的構(gòu)造，只是轉(zhuǎn)子231沒有具有軟磁材料磁性的區(qū)域(與區(qū)域161對(duì)應(yīng))。
電動(dòng)機(jī)300的定子310中的每一對(duì)都是獨(dú)立于另外的定子對(duì)的。如圖18中所示，通量可以或者穿過電動(dòng)機(jī)300的背對(duì)背的定子310，或者可以位于每對(duì)定子310中。
疊置式電動(dòng)機(jī)200和300可以用于任何用途，其中電動(dòng)機(jī)軸202和302的轉(zhuǎn)動(dòng)分別轉(zhuǎn)換成有用功。疊置式電動(dòng)機(jī)200和300可利用傳統(tǒng)的控制電子裝置進(jìn)行控制，控制電子裝置分別示意性地表示為204和304。控制電子裝置204和304分別與定子210和310中的每一個(gè)通訊，以給位于這些定子中的每一個(gè)上的繞組通電。給定子210和310上的繞組通電分別使轉(zhuǎn)子236和336以及電動(dòng)機(jī)軸202和320轉(zhuǎn)動(dòng)。每一個(gè)電動(dòng)機(jī)軸202和302的另一端可以與工具相固定，如泵、壓縮機(jī)、風(fēng)扇和類似物，這些工具通過軸傳遞過來的動(dòng)力操作。
無論是使用單個(gè)定子和轉(zhuǎn)子還是使用多個(gè)定子和/或轉(zhuǎn)子，本發(fā)明的定子、包括這種定子的電機(jī)和泵都能提供明顯的益處。例如，與使用包括固體金屬物質(zhì)或元件而不是一團(tuán)壓制金屬顆粒的定子的類似電機(jī)相比，包括一團(tuán)壓制金屬顆粒的定子有利是提供了增強(qiáng)的動(dòng)力產(chǎn)生能力。這種增強(qiáng)的動(dòng)力產(chǎn)生能力可以導(dǎo)致機(jī)器尺寸減少和/或增加整體動(dòng)力產(chǎn)生能力，從而包括這種定子的電機(jī)可有利地用在包括重負(fù)荷和動(dòng)力密集型應(yīng)用的更廣大的應(yīng)用范圍。與傳統(tǒng)定子相比，本發(fā)明的定子表現(xiàn)出明顯的改進(jìn)，主要是因?yàn)榘ㄟ@種定子的電機(jī)動(dòng)力產(chǎn)生能力增強(qiáng)以及這種定子的制造方法比較簡單和經(jīng)濟(jì)。
盡管關(guān)于各種特定實(shí)例和實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)注意到，本發(fā)明不局限于此，并且在下面的權(quán)利要求范圍內(nèi)本發(fā)明可以各種方式實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種電機(jī)，包括一轉(zhuǎn)子，具有一轉(zhuǎn)動(dòng)軸線，并且包括一組設(shè)置在一大體平面陣列中的永磁極；一定子，與所述大體平面的陣列間隔開并面對(duì)，該定子具有一組磁繞組，磁繞組定位成和適于當(dāng)通電時(shí)使所述轉(zhuǎn)子繞所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，所述定子由一團(tuán)金屬顆粒構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電機(jī)，該電機(jī)是無電刷直流電動(dòng)機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電機(jī)，其特征在于，與使用固體金屬物質(zhì)而不是金屬顆粒的類似電機(jī)的操作相比，在所述電動(dòng)機(jī)的操作過程中可以獲得減少的渦流作用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電機(jī)，其特征在于，所述定子由一團(tuán)壓制金屬顆粒構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4中所述的電機(jī)，其特征在于，所述一團(tuán)金屬顆粒的密度至少等于固體金屬物質(zhì)的理論密度的95％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電機(jī)，其特征在于，所述定子包括基本線性的、針狀金屬顆粒，具有大致三角形的構(gòu)造。
7.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電機(jī)，為三相、無電刷直流電動(dòng)機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電機(jī)，還包括與所述轉(zhuǎn)子聯(lián)接并一起轉(zhuǎn)動(dòng)的工作構(gòu)件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電機(jī)，包括一組所述定子。
10.在一電機(jī)中使用的定子，包括一板，構(gòu)造成基本平面形并具有一第一端面、大致相對(duì)的第二端面和位于兩個(gè)端面之間的周邊表面；一組間隔開的凸出部分，這些凸出部分從所述第二端面離開所述板延伸并在其間限定了一組槽，所述板和所述凸出部分由一團(tuán)金屬顆粒構(gòu)成。
11.根據(jù)權(quán)利要求10中所述的定子，其特征在于，所述板具有與所述第一端面和第二端面都相交的中心軸線，所述一組凸出部分都從所述周邊表面向內(nèi)延伸并在與所述中心軸線相交之前終止。
12.根據(jù)權(quán)利要求11中所述的定子，其特征在于，所述一組槽中的每一個(gè)槽在限定槽的兩個(gè)凸出部分之間具有基本恒定的尺寸。
13.根據(jù)權(quán)利要求10中所述的定子，其特征在于，所述板和所述凸出部分是整體的并由一團(tuán)壓制金屬顆粒構(gòu)成。
14.根據(jù)權(quán)利要求10中所述的定子，其特征在于，所述一團(tuán)壓制金屬顆粒的密度至少等于固體金屬物質(zhì)的理論密度的約95％。
15.根據(jù)權(quán)利要求10中所述的定子，包括基本線性的、針狀金屬顆粒，具有基本三角形的構(gòu)形。
16.一種用于完成有用工作的設(shè)備，包括一工作構(gòu)件，具有一轉(zhuǎn)動(dòng)軸線并安裝為繞所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，所述工作構(gòu)件構(gòu)造和定位為使得所述工作構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)能夠有效在接觸所述工作構(gòu)件的物質(zhì)上完成工作；一轉(zhuǎn)子，與所述工作構(gòu)件聯(lián)接并可一起轉(zhuǎn)動(dòng)，并且包括一組設(shè)置在一大體平面的陣列中的永磁極；一定子，與所述大體平面的陣列間隔開并面對(duì)，該定子具有噪音磁繞組，磁繞組定位成并適于當(dāng)通電時(shí)使所述轉(zhuǎn)子和所述工作構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)，所述定子由一團(tuán)金屬顆粒構(gòu)成。
17.根據(jù)權(quán)利要求16中所述的設(shè)備，其特征在于，與在定子中使用固體金屬物質(zhì)而不是一團(tuán)金屬顆粒的類似設(shè)備的操作相比，在操作過程中可以獲得減少的渦流作用。
18.根據(jù)權(quán)利要求16中所述的設(shè)備，包括一組所述定子。
19.根據(jù)權(quán)利要求18中所述的設(shè)備，包括一組所述轉(zhuǎn)子。
20.根據(jù)權(quán)利要求16中所述的設(shè)備，其特征在于，所述定子由一團(tuán)壓制金屬顆粒構(gòu)成。
21.根據(jù)權(quán)利要求20中所述的設(shè)備，其特征在于，所述壓制金屬顆粒的密度至少等于固體金屬物質(zhì)的理論密度的95％。
22.根據(jù)權(quán)利要求16中所述的設(shè)備，其特征在于，所述定子包括基本線性的、針狀金屬顆粒，金屬顆粒具有基本三角形的構(gòu)形。
23.一種泵，包括一泵殼，其具有一進(jìn)口和一出口；一葉輪，其具有一轉(zhuǎn)動(dòng)軸線并且可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述泵殼內(nèi)以繞所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，所述葉輪相對(duì)所述泵殼構(gòu)造和定位成使得所述葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)能夠有效促使液體從所述進(jìn)口流經(jīng)所述出口；一轉(zhuǎn)子，其與所述葉輪聯(lián)接并且一起轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)子包括一組設(shè)置在一大體平面的陣列中的永磁極；一定子，其與所述大體平面的陣列隔開并且面對(duì)，該定子具有一組磁繞組，磁繞組定位成并適于當(dāng)通電時(shí)使所述轉(zhuǎn)子和所述葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，所述定子由一團(tuán)金屬顆粒構(gòu)成。
24.根據(jù)權(quán)利要求23中所述的泵，其特征在于，與在定子中使用固體金屬物質(zhì)而不是金屬顆粒的類似泵的操作相比，在操作過程中可以獲得減少的渦流作用。
25.根據(jù)權(quán)利要求23中所述的泵，包括一組所述定子。
26.根據(jù)權(quán)利要求23中所述的泵，包括一組所述轉(zhuǎn)子。
27.根據(jù)權(quán)利要求23中所述的泵，其特征在于，所述定子由一團(tuán)壓制金屬顆粒構(gòu)成。
28.根據(jù)權(quán)利要求27中所述的泵，其特征在于，所述金屬顆粒的密度至少等于固體金屬物質(zhì)的理論密度的約95％。
29.根據(jù)權(quán)利要求23中所述的泵，其特征在于，所述定子包括基本線性的、針狀金屬顆粒，具有基本三角形的構(gòu)形。
全文摘要
提供了電機(jī)及其中所用的轉(zhuǎn)子。定子包括板和一組間隔開的凸出部分或齒形物,其中所述板的結(jié)構(gòu)做成基本平面形,所述凸出部分或齒形物從所述板伸出并與所述板一起在其間限定許多槽。定子包括一團(tuán)金屬顆粒。利用由這種金屬顆粒制造的定子提供了增強(qiáng)的機(jī)器效率,這被認(rèn)為是減少了定子中的渦流作用的結(jié)果。包括轉(zhuǎn)子和這種定子的電動(dòng)機(jī)及由這種電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的泵包括在本發(fā)明的范圍內(nèi),其中所述轉(zhuǎn)子呈大體平面的陣列,所述定子與永磁極間隔開并與其面對(duì),并且具有一組磁繞組。
文檔編號(hào)H02K21/24GK1267402SQ98807923
公開日2000年9月20日 申請(qǐng)日期1998年8月4日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月6日
發(fā)明者D·J·科珀, G·F·麥基, M·薩維利夫, P·J·韋弗 申請(qǐng)人:舒弗羅泵制造公司