利用低损耗材料的高效高速电气装置的制作方法

专利名称：利用低损耗材料的高效高速电气装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及能够工作在高换接频率的高效率和高功率密度的电气装置。
背景技术：
本发明一般地涉及电气装置，它包括，但不限于电动机、发电机、再生式电动机(在此处集体地称作″电气装置″、″电磁装置″、″电机″等)。术语再生式电动机在这里用来指一种或者可以作为电动机工作，或者作为发电机工作的装置。所述电气装置可以是组合装置的一个或多个部件。这样一种组合装置的一个示例是压缩机，它包括一个或多个电动机，其中所述一个或多个电动机与通风机构成整体。本发明优先地涉及具有改善了的特性的高效电气装置。本发明更优先地涉及能够工作在高频率下的高效电气装置。
高频电气装置电动机和发电机工业不断寻找提供效率高和功率密度高的电动机和发电机。电磁装置的功率与所述装置的频率有关，使得所述装置的功率随着频率增大而增大。于是，当要求增大的功率时，就希望有一些频率较高的电机。同步电机的同步频率一般地可以表达为f＝S-P/2，式中f是电机的频率(Hz)，S是速度(转/秒)，而P是所述电机的极数。由此可见，随着电机的速度提高，频率提高，功率增大。类似地，随着极数增大，电机的频率提高，电机的功率增大。但是，指出以下一点很重要随着极数增加，电机磁场的变化增大，在电机内产生附加的热量，由此造成电机效率低下。
过去制造高频电机(频率大于300Hz的电机)的尝试一般都涉及高速下低极数，因为较低的极数一般地有助于减少磁芯损失，而极数较高一般地使磁芯损失增大。但是，在传统的较高极数的电机上看到的重大的磁芯损失主要是由于绝大多数旧电机中用的材料，传统上是含硅约为31/2％(按重量计)或者更少的硅铁合金(Si-Fe)。具体地说，在传统的基于Si-Fe材料中，在大于约300Hz的频率下，变化的磁场造成的损失，把材料加热到任何可以接受的装置都无法冷却所述装置的程度。因此，一直难以实现商业上有生命力的高频电机，因此最好能产生一种商业上有生命力的高频电机。最好还提供一种能够同时运行在高频下、极数高的电气装置，结果得出一种磁芯磁损失低的和功率密度高的效能价格合算效能价格合算的电气装置。
非晶金属磁芯非晶金属的出现和后来的研究使许多人相信，用非晶金属磁芯做的电动机和发电机具有提供一种比传统的电动机和发电机高得多的效率和功率密度的潜力。具体地说，非晶金属呈现有希望的低损耗特性，使许多人相信用非晶金属磁芯做的定子，会得出效率更高的电机。但是，以前的把非晶材料包括入传统的电机的尝试都失败了，因为这些尝试只是简单地涉及在频率较低的电机中用非晶材料替换传统的磁芯中的硅铁。这使电机效率提高，损失减少，但是伴随着随后的功率输出方面的损失以及与处理和形成非晶材料相联系的造价的显著提高。
例如，美国专利No.4,578,610公开了一种高效电动机，其定子通过简单地缠绕非晶金属带而构造，其中缠绕所述非晶金属带条，然后形成槽沟，并把相配的定子绕组设置在所述槽沟内。
美国专利No.4,187,441公开一种功率密度高的电机，它具有用非晶金属带做成的螺旋形缠绕的层叠磁芯，具有槽沟用来接纳定子绕组。所述专利还公开利用激光束切割所述非晶磁芯中的槽沟。
尽管围绕非晶金属在电机的使用进行重大的研究，但至今已经证实，要效能价格合算地提供一种容易制造的利用低损失材料的电气装置是非常困难的，因而许多人放弃了开发一种商业上有生命力的具有非晶金属磁芯的电机的尝试。因此，最好提供一种高效电气装置，它具有与低损失耗材料相联系的特定特性的全部优点，从而消除与先有技术相联系的缺点。最好，所述低损耗材料是一种非晶金属、毫微晶金属、优化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料或者非晶粒定向的基于Fe的材料。
发明概要本文公开的电磁装置包括诸如转子的磁场组件以及定子组件。所述定子组件具有用低损耗高频材料制成的磁芯材料。最好定子的磁芯用非晶金属、毫微晶金属、优化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料或者非晶粒定向的基于Fe的材料制成。非晶金属、毫微晶金属、优化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料或者非晶粒定向的基于Fe的材料引入电气装置使所述装置的频率能提高到300Hz以上，同时磁芯损失只相对小量地增大(与传统电机中所呈现的显著增大相比)，因此，得到一种能够提供增大功率的高效电气装置的收益。本发明提供一种极数高的能够提供增强的功率密度、改善的效率和更正方形的转矩-速度曲线的高效电气装置。
公开了一种轴向气隙电磁装置，它包括包含具有若干槽沟的整体磁芯的至少一个定子组件，。定子绕组缠绕所述槽沟。所述整体磁芯由低损耗软磁材料制成，所述软磁材料的特征在于磁芯损失小于″L″，式中L由下式给出L＝12·f·B1.5+30·f2.3·B2.3，式中L是以W/kg为单位的损耗，f是以KHz为单位的频率，而B是峰值磁通密度(特斯拉)。适用于磁芯的低损耗软磁材料的示例包括非晶金属、毫微晶金属和优化的Si-Fe合金。所述电磁装置还包括包含多个转子磁极的至少一个转子组件。所述转子组件设置成与所述至少一个定子磁相互作用。在所述装置的运行过程中，所述电磁装置的频率高于300Hz。
附图简述

图1定子结构的例图；图2定子绕组的例图；图3转子结构的例图，表示磁体的位置和极性；图4用于轴向型电动机几何结构的定子/转子配置例图；图5转矩与速度的关系曲线，把传统的电动机的性能与本发明的电动机比较；图60.4kHz下不同的软磁材料的磁芯损失与磁通密度的关系的图表；图71.0kHz下不同的软磁材料的磁芯损失与磁通密度的关系的图表；图82.0kHz下不同的软磁材料的磁芯损失与磁通密度的关系的图表；图90.5特斯拉下不同的软磁材料的磁芯损失与频率的关系的图表；图101.0特斯拉下不同的软磁材料的磁芯损失与频率的关系的图表；图111.5特斯拉下不同的软磁材料的磁芯损失与频率的关系的图表；图12利用低损耗材料设计高效的高速轴向气隙电气装置的方法的流程图；图13取自用于图12设计方法的磁芯的各种尺寸的例图；以及图14转矩方程式的示范的表面曲线。
发明的详细说明以下将参照附图较详细地说明本发明推荐的实施例。本发明涉及诸如具有由低损耗材料制成的缠绕的定子磁芯的无刷电动机的电气装置的设计和/或制造。定子磁芯最好包括几种先进的低损耗磁性材料，包括非晶金属、毫微晶金属、优化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料或者非晶粒定向的基于Fe的材料。以下段落提供这些先进的低损耗磁性材料的示例，并就每一个示例进行简短的讨论。这样的先进的低损耗材料的共同定义如下。
先进的低损耗材料把非晶、毫微晶、优化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料或者非晶粒定向的基于Fe的材料引入电气装置，使电机的频率能提高到300Hz以上，同时与利用传统的磁芯材料，诸如Si-Fe合金的传统电机中磁芯损失所呈现巨大增长相比，磁芯损失只是相对小量增大。在定子磁芯中低损耗材料的使用使开发能够提供增强的功率密度、改善的效率、具有更正方形转矩-速度曲线的高频、高极数电机装置成为可能。
非晶金属非晶金属亦称为金属玻璃，并以许多种不同组成的方式存在。金属玻璃是在不结晶的情况下，由迅速淬火合金形成的。非晶金属不同于其他金属，所述材料非常薄，亦即，厚度为2密耳(mil)(一英寸的千分之二)或者更小，而且极脆，因而使所述材料难以处理。一种可以应用于本发明的适用的非晶材料是Metglas2605SA1，由Hitachi MetalsAmerica，Ltd公司拥有的Metglas Solutions公司销售(要取得有关Metglas2605SA1的信息可参见http//www.metglas.com/products/paEe5 124.htm)。
相对于传统的Si-Fe合金，非晶金属具有若干明显的缺点。与传统的Si-Fe合金相比，非晶金属呈现较低的饱和通量密度。较低的磁通密度的结果是电动机的功率密度较低(按照传统的方法)。非晶金属的其他缺点是它们具有比传统的Si-Fe合金低的热传导系数。由于热传导系数决定把热量传导到冷却位置的难易，数值较低的导热系数会给冷却电动机时把废热(由于磁芯损失)传走造成较多的问题。传统的Si-Fe合金呈现比非晶金属低的磁致伸缩系数。在磁场的影响下，磁致伸缩系数较低的材料经受较小的尺寸改变，而这本身又导致噪声较小的电机。另外，非晶金属难以用一种比传统的Si-Fe的情况效能价格更合算的方式加工，亦即，难以冲压、钻孔或焊接。
尽管非晶材料有这些缺点，但是这样的非晶金属可以用来成功地提供一种运行在高频率下(亦即，频率大于约300Hz)的电机。这是利用非晶金属优于传统的Si-Fe合金的有利的性质实现的。所述非晶金属在高频下呈现低得多的磁滞损失，这导致磁芯损失低得多。非晶金属低得多的导电率导致较低的涡流振幅，这也导致较低的磁芯损失。另外，非晶金属的带条或者薄片厚度一般比传统的Si-Fe合金小得多，这也导致涡流和磁芯损失较低。非晶金属的使用可以成功地提供一种电气装置，通过补偿非晶金属的缺点，同时利用非晶金属的有利性质，诸如较低的磁芯损失，所述电气装置可以在高频下运行。
硅铁合金正如在这里使用的，传统的Si-Fe涉及按重量计硅含量约3.5％或者更小的硅铁合金。硅的3.5重量百分数限制是所述行业由于硅含量较高的Si-Fe合金不良的金属加工的材料特性强制加上的。在频率大于约300Hz的磁场下的运行造成的传统的Si-Fe合金级别的磁芯损失大致是非晶金属的10倍，这使传统的Si-Fe材料被加热到传统的电机无法通过任何可以接受的装置冷却的程度。但是，某些级别的硅铁合金，在这里称作优化的Si-Fe，将可以直接应用来生产高频电机。
优化的Si-Fe合金定义为按重量计包含大于3.5％硅的硅铁合金级别。推荐的优化的Si-Fe合金按重量计包含约6.5％+/-1％的硅。最佳化加工的目标是获得一种把磁芯损失减到最小的硅含量的合金。这些优化的Si-Fe合金级别的特征是，磁芯损失和磁饱和类似于非晶金属。优化的Si-Fe合金的一个缺点是，它们有点脆，而且大部分传统的金属加工技术在处理所述材料都证明是不可行的。但是，围绕优化的Si-Fe的脆性和可加工性问题有点类似于非晶金属，而用于非晶金属应用的设计方法非常接近于优化的Si-Fe用的设计方法。
用于制造传统的Si-Fe的传统的轧制技术一般地不用来制造优化的Si-Fe。但是，可以利用该行业中已知的其他技术来制作优化的Si-Fe。例如，可以利用先有技术中已知的碾磨技术来制造碾磨的优化的Si-Fe合金。但是，它已证明对大规模生产是不可以接受的。优化的Si-Fe合金还通过日本JFE Steel Corporation(公司)专有的真空汽相淀积工艺制造。在真空状态下铁或者硅铁的成份被硅蒸气覆盖，因而使硅可以迁移到所述材料中。控制所述真空汽相淀积工艺，以便达到按重量计最佳含量6.5％Si。在虽然从汽相淀积得到的优化的Si-Fe合金比传统的SiFe更脆，但是脆性低于碾磨的优化的Si-Fe。优化的Si-Fe可从JFE购得，商品名为″超级E磁芯″，并作为高性能6.5％硅磁钢片销售。
毫微晶金属毫微晶材料是多晶材料，晶粒尺寸约达100毫微米。毫微晶金属的属性与传统粗晶金属相比，包括增强的强度和硬度、增强的扩散性、改善的延性和韧性、降低的密度、降低的模量、较高的电阻、提高的比热、较高的热膨胀系数、较低的导热率和优良的软磁特性。最好毫微晶金属是基于铁的材料。但是，毫微晶金属还可以基于其他铁磁材料，诸如钴或镍。一种带有低损耗特性的示例性毫微晶金属是日立的Finemet FT-3M。其他具有低损耗特性的示例性毫微晶金属是可从德国的Vacuumschmeize GMBH & Co.(公司)购得的Vitroperm500Z。
晶粒定向和非晶粒定向金属用先有技术已知的方法对基于Fe材料进行机械处理可得到晶粒定向的基于Fe的材料。晶粒定向是指在轧制过程中内部材料特性物理上对齐，以便产生愈来愈薄的金属，使得所得体积的材料的晶粒具有优先磁化方向。晶粒和磁畴的磁化在轧制过程的方向上取向。这种磁畴取向使磁场取向的翻转容易得多，结果是降低了推荐方向上的磁芯损失。但是，所述磁芯损失在与所述推荐的方向正交的方向上增大，这在电气装置应用中可能证明是一个缺点。
非晶粒定向的基于Fe的材料不具有推荐的磁畴对齐方向。所述非晶粒定向的基于Fe的材料不是非晶的，它具有一定量的结晶度。当前可用的传统的硅钢具有某种晶体结构，因为它是缓慢冷却的，这导致某种程度的结晶，然后变薄。但是，与诸如传统的硅钢等晶粒定向的基于Fe的材料不同，非晶粒定向的基于Fe的材料具有更加各向同性的磁化。
可应用于本发明的非晶粒定向的基于Fe的材料最好具有小于5密耳的厚度。
定义先进的低损耗材料软磁材料的磁芯损失一般地用以下修改过的Steinmetz方程式表达L＝a·f·Bb+c·fd·Be式中L是损失，以W/kg为单位，f是频率，以KHz为单位，B是峰值磁通密度，以特斯拉为单位，而a，b，c和d以及e全都是对所述软磁材料的独特的损失系数。
上面的每一个损失系数a，b，c，d和e一般地可以从给定的软磁材料的制造商获得。正如在这里使用的，术语″先进的低损耗材料″包括其特征是磁芯损失小于″L″的那些材料，式中L由下式给出L＝12·f·B1.5+30·f2.3·B2.3，式中L是损失，以W/kg为单位，
f是频率，以KHz为单位，以及B是峰值磁通密度，以特斯拉为单位。
图6-11提供在其范围从0.4kHz到2.0kHz的不同频率下和其范围从0.5特斯拉到1.5特斯拉的不同的磁通密度下，不同的软磁材料的磁芯损失(由方程式L＝a·f·Bb+c·fd·Be所定义的)或者与磁通密度或者与频率的关系的图表。图6-11所示的每一种材料的损失系数列于下表1表1损失系数
上面的每一种材料都是软磁材料，首先包括基于铁的合金。上表中列出的每一个系数都是从所述材料的制造商或者从所述材料的制造商获得的材料说明书中得出的，而所述系数一般地包括在所述材料的技术规格表中。为了达到这个目的，软磁材料的每一个制造商一般都参与行业标准ASTM测试程序，这产生所述材料的规格，由此可以推算Steinmetz方程式用的系数。
如从图6-11可以看出的，画出阈值线段，以便显示用于定义″先进的低损耗材料″的损失阈值的损失方程式。其损失方程式曲线高于这个阈值的材料，不是″先进的低损耗材料″。其损失方程式曲线在这个阈值上或者它下面的材料，在这里定义为″先进的低损耗材料″或者″先进的材料″。如从图6-11可以看出的，先进的低损耗材料包括，但不限于，非晶金属、毫微晶合金和优化的Si-Fe。在公开的以下段落中，将描述由这样的先进的低损耗材料构造的高效电磁电机。图6-11提供的图表表示其范围在0.4kHz至2.0kHz的频率和其范围从0.5特斯拉到1.5特斯拉的磁通密度，因为这些是这里描述的电机运行的典型范围。但是，这里描述的电机不限于在这样的范围运行。
一般装置结构本发明提供一种电气装置，它包括一个或多个定子和一个或多个磁场组件，诸如转子。所述一个或多个定子用诸如非晶金属、毫微晶金属、优化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料或者非晶粒定向的基于Fe的材料等先进的低损耗材料形成。在推荐的实施例中，所述电气装置的定子和磁场组件是轴向型配置的。
图1A和1B分别举例说明按照本发明的一个实施例的定子的顶视图和侧视图。先进的低损耗材料的带条缠绕成大的圆环，以便形成定子金属磁芯20。这些带条一般厚度是0.10mm(0.004″)或者更小。当从所述轴向观看时，由所述带条缠绕而成的圆环具有内径和外径，所述内径和外径定义了一个称为总面积(TA)的已知表面积。然后对所述金属磁芯进行加工使其具有槽沟23，以便形成定子(下面进一步详细讨论)的整体磁芯。这些槽沟减少了金属磁芯的表面积。
图1A示出所述定子磁芯20的内径(d)和外径(D)，另外示出具有外宽度(w)的槽沟23，所述槽沟已经加工在所述金属磁芯20中，以便形成所述定子。去除槽沟之后留下的表面积称为低损耗金属面积。在推荐的实施例中，所述低损耗材料是一种非晶金属，低损耗金属面积亦称为非晶金属面积(AMA)。所述金属磁芯具有内圆周，它定义内径(d)。内圆周在形成槽沟的部分不是连续的。而是这些槽沟的内圆周横跨槽沟所在的间隙。这些槽沟用来保持定子绕组。磁芯内圆周的每一个剩余部分(亦即，从背铁24伸出的各个延伸部分)称为齿21。
图1B示出牙齿21的高度(T)，它与定子20的总高度(H)比较。总高度包括背铁24的高度外加牙齿21的高度。齿21和槽沟23的数目相等。在推荐的实施例中，齿最窄的一部分不小于0.100英寸。如先有技术中已知，在定子上加工槽沟时被去除的面积可以被封装和/或清漆化合物或者薄的有机绝缘材料连同导电的定子绕组填充。
正如以前所指出的，定子磁芯包括先进的低损耗材料，而且在一个实施例中，其结构是″整体的″。正如这里使用的，在结构上是″整体的″定子磁芯是这样的定子磁芯，它不需要两个或多个子部件的装配来完成所述定子磁芯。另外，这里公开的整体定子磁芯还是一个″单体的″定子磁芯。正如这里使用的，术语″单体的″是指从薄的软磁材料带条层叠而成的，以便形成基本形状，然后从所述基本形状去除一些材料，以便形成所述定子磁芯(例如，使基本形状形成槽沟，以便在所述定子磁芯上形成齿)。不幸的是，先进的低损耗材料往往极脆，已经证明形成单体定子磁芯是困难的。然而，几个公司，包括先进的低损耗材料的某些制造商，已经利用诸如金属丝放电加工、激光切割、电化学研磨或者传统的加工等不同的工艺由先进的低损耗材料制造这样的定子。
尽管这里描述的定子磁芯是整体结构的单体定子磁芯，但是不同的类型的非整体的和非单体的定子磁芯亦拟供这里描述的电机之用。例如，一个随后分割成段，使所得定子磁芯不是″整体的″″单体的″定子磁芯也是可能的。类似地，可以通过将先进的材料模制成定子磁芯的形式来形成″整体的″定子磁芯(包括任何齿)，但是，因为所述定子磁芯不是由薄的带条缠绕而形成基本形状，随后从所述基本形状去除一些材料，所以结果所得的定子磁芯不会是″单体的″。
图2举例说明一个已经缠绕了定子绕组22的整体的单体的定子磁芯20。缠绕了定子绕组22的定子20设置入环形外壳内，并用适当的有机电介质封装。可以用金属丝把多个槽沟连接成共同的磁段，使之对应于每极每相位槽沟数(SPP)的值约为0.5，式中SPP比率是定子磁芯槽沟数目除以定子绕组的相数和DC极数(SPP＝槽沟数/相数/极数)。不被绕组占用的形成槽沟的面积，亦即，封装、清漆和绝缘材料面积，是废面积(WA)。总面积和废面积之间的差值称为有用的面积。在一个推荐的实施例中，式中SPP＝0.5，分配来进行缠绕的有用空间将为35％+/-10％或接近于所述百分数，它使电机的功率密度(瓦输出)/(立方厘米)优化。这个百分数值是在恒定的基本频率和施加在每个定子齿上的恒定的安匝数的假定下给出的。通过同样的计算，在同样的假定下，求出一个不同的百分数50％+/-10％。以便优化每kg有效材料的转矩。
任何能够适当地支持所述定子排列的适当材料，都可以用于所述环形外壳。尽管环形外壳最好是非磁性的，但是对环形外壳材料的导电率没有限制。其他因素也可以影响环形外壳材料的选择，诸如机械强度的要求等。在一个具体实施例中，所述环形外壳由铝形成。
磁场组件设置在定子体附近，所述磁场组件配置和排列成与定子磁相互作用，如先有技术共有的。图3A和3B分别举例说明一种轴向类型转子30的形式的磁场组件的顶视图和侧视图。转子30与所述定子一起以共同轴31为中心。图3A举例说明多个磁体32具有交替极性，定位在转子周围。在不同的实施例中，磁体32的定位和极性可以根据电动机设计的需要而改变。在一个推荐的实施例中，所述转子包括多个永久磁铁。图3B举例说明所述转子的沿着图3A的直线A截取的侧视图。在图3B举例说明的转子的实施例中，磁体32延伸至转子30的厚度。在其他实施例中，磁体32不延伸至转子30的厚度。所述转子的排列最好是一个盘形，或者轴向型转子，包括径向彼此隔开的超级永久磁铁(例如，诸如钴稀土磁铁或者NdFeB等稀土磁铁)，每一个都具有定义北极和南极的相反两端。这样支撑磁体32，使得它绕轴(未示出)的轴线(沿着共同的轴线31或者任何其他适当的配置)旋转，以便各磁体的极可以沿着预定的路径接近定子结构。转子30的磁体面积具有外径和内径，所述内径形成内部空穴34。在涉及一种转子和定子轴向型配置的推荐的实施例中，转子30的外径和内径基本上与定子20的相同。若所述转子30的外径大于定子20的外径，则所述转子的外部对性能不起作用，而只增加重量和惯性。若所述转子的外径小于定子的外径，则其结果是性能降低。
在计算SPP值时，磁极是指与改变着的磁场互相作用的DC磁场。因此，在所述推荐实施例中，永久磁铁装在转子上提供DC磁场，由此得出DC极数。在其他实施例中，DC电磁体提供DC磁场。所述定子绕组的电磁体提供变化着的磁场，亦即，随着时间和位置而改变的磁场。
在不同的实施例中，磁体安装在所述转子上或其内部。所述磁体可以这样彼此隔开，使得在圆周上交替的磁体之间没有间隙。磁体之间的间隔最好保持在最佳值，它使转矩的镶齿效应的发生减到最小。转矩镶齿效应是输入电流大大地减少之后，而在所述轴处于零点或者rpm非常低的时候，转矩随着位置而变动，这引起不希望有的性能和声学问题。一种最佳间隔的推算是，首先把定子20的低损耗金属面积除以定子槽沟数目，以便得到每个单个金属齿的面积。于是，磁体之间的所述最佳间隔为这样的值，它使得每个磁体的总面积等于磁芯齿面积的175％+/-20％。
尽管已经把所述磁体描述为永久磁铁，但是这不是一个要求。所述磁体可以是其他类型的磁性材料，或者，在其他实施例中，可以是电磁体，感应电机等，另外，尽管已经在盘形或者轴向型实施例的环境下一般地讨论了所述装置，但是本发明的电气装置不限于轴向型装置。而是，它可以在很宽的各种各样的配置，诸如桶形或者半径型电动机，带有定位在半径转子的外圆周上的转子磁体。另外，横过转子结构的彼此隔开的磁体数目可以变化，而同时仍旧落在本发明的范围内。
图4举例说明电气装置一个实施例的侧视图，它包括定位在轴向型配置中的两个定子磁芯20，两个定子磁芯20分别在单一转子30的任一侧并且与单一转子30一起沿着共同的中心轴线31，所述单一转子30为两个定子20服务。绕组22缠绕在定子20上。在一个特定实施例中，已经发现包括包含Metglas@、在单一转子两侧的定子磁芯的电气装置呈现高的功率密度。图6至29举例说明按照本发明的电气装置特定实施例的详细设计规格。图6至29详细设计规格的变动，包括各个组件尺寸的改变，或者甚至不用给定组件，对本专业普通技术人员将是显而易见的，而同时仍旧落在本发明的范围内。
在本发明的上述推荐实施例中，所述定子配置包括两个定子磁芯，它们定位在转子结构的相反两侧附近。但是，应该指出，为了满足想要的应用的要求，需要多少个附加的交替定子和转子布置，本发明的电气装置就允许重叠多少个。所述定子外壳一般彼此成镜像，因此，只需要详细描述一个定子磁芯即可。
电气装置的性能特性最好根据所述电机要求的性能进行共同优化。性能特性的示例包括在高频下的换向、维持低电感并维持低速控制。为了从这样的一种轴向型电气装置获得最大性能，功率电子电路是关键部分。不良的功率电子电路可以造成功率电子电路(PE)纹波，在一种电气装置运行过程中不希望有的转矩变动，它对性能有消极的影响。
利用低损耗材料的极数、高频设计在一个推荐的实施例中，本发明提供一种电动机，带有高极数，运行在高频下，亦即，大于约300Hz。对于一种具有高极数还运行在高频下的电气装置，它不是先有技术已知的。利用传统的Si-Fe的已知的装置无法在显著地高于300Hz的磁频率下切换，因为改变着的磁场造成磁芯损失，其中磁芯损失导致所述材料被加热到所述装置无法通过任何可以接受的装置冷却的程度。在某些状态下，传统的Si-Fe材料的发热甚至可能严重到足以使所述电机无论如何都无法冷却，将自行破坏。但是，已经确定，先进的低损耗材料，包括非晶金属、毫微晶金属、优化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料、或者非晶粒定向的基于Fe的材料的低损耗特性，使比传统的Si-Fe材料高得多的切换频率成为可能。尽管在一个实施例中，所述定子磁芯使用Metglas消除了高频运行时发热带来的系统限制，但是所述转子设计还可以得到改善，以便利用低损耗材料的这些特性。
对给定的装置而言，高极数是一个相对的术语。本发明的装置的极数是一个基于电机大小(物理的约束)和预期性能范围的变量。极数可以一直增大到磁通泄漏增加到不希望有的值，或者较少的极数得出改善的性能。定子对转子磁极数目也呈现机械上的限制，因为定子槽沟必须与转子磁体一致。在所述定子可能形成的槽沟数目方面，也存在机械上的和电磁上的限制，这本身又随电机的框架尺寸而变。在铜和Metglas的适当的平衡下，对于给定的定子框架，可以设置某个边界，以确定槽沟数的上限，制造性能良好的轴向间隙电机时，这可以作为一个参数使用。本发明提供一些极数比大部分传统的电机极数的工业值的大4或5倍的电动机。
作为示例，工业上典型的电动机具有6至8极，对于速度约为800至3600rpm的电动机，换接频率约为100至400Hz。所述换接频率(CF)是旋转速度乘以极对的数目，式中极对的数目是极数除以2，而旋转速度单位是每秒转数(CF＝rpm/60x极数/2)。另外，工业上可用的是大于约16极的高极数，但是速度小于1000rpm，这仍旧对应于小于300Hz的频率。作为另一方案，还有极数相对低(小于约6极)的电动机，速度高达3000rpm，这仍旧具有小于约400Hz的换接频率。在不同的实施例中，本发明提供一些电机，例如，96极，1250rpm，在1000Hz下；54极，3600rpmrpm在1080Hz下；4极，30000rpm，在1000Hz下；以及2极，60000rpm，在1000Hz。因此，本发明的电动机与″标准″电动机相比，提供高出4或5倍的较高频率。当工作在同样速度范围时，本发明的电动机比所述工业上典型的电动机更有效，而结果是，提供较多的速度选择。
推荐的设计方法一种确定本发明不同的推荐实施例用的设计特性确定方法示于图12。图12所提出的设计方法是根据这样一个认识，即，通过结合方程式的操纵、轴向气隙电机可以用相对较少的变量定义。通过用尽可能少的变量定义电机，某些变量可能最大化，而电机可能在一个给定的速度下优化。图12的方法表示设计一种在给定的速度下转矩优化、因而功率优化的轴向气隙电机的方法。为了设计这样的电机，所述电机必须首先简化为单一个方程式，它用尽可能少的变量表示电机的转矩。在目前的方法中，已经确定，轴向气隙电机的转矩可以按照以下方程式表达τ=124·j·212·(-λ·D·π+h·t+x·t)·L·pf·D·(-D·π-D·π·λ2+2·λ·D·π-2·h·t+2·h·t·λ)·B]]>式中，τ＝电机的输出转矩，Nm；j＝电流密度，A/mm2；D＝定子的外径，mm；h＝内径处磁芯点齿宽度，mm；t＝每定子的总槽沟数；x＝所述定子中由于绝缘而废弃的总槽沟宽度，mm；pf＝堆积因数，作为槽沟填充的百分数；L＝绕组的轴向长度，mm；B＝峰值磁通密度，特斯拉；
上述几个变量在图13的图形中用到。
如从上述方程式看出的，有9个变量。但是，当接近任何设计实例时，这些变量中的许多将是固定值，是不变的。例如，在上述方程式中，假定根据所设计的电机类型，j，x，pf，L和B是真正不改变的。这剩下X，D，h和t作为要操纵的仅有几个变量。正如以下讨论的，然后设计者根据设计的灵活性选择D和t值。于是剩下转矩与h和λ的关系的方程式。从这样的方程式的曲线图将得出曲面图，如图14所示。然后，若设计者把所述转矩方程式对λ微分，他或她可以设置所得方程式等于0，并求出λ。0和1之间所得出的解提供一个对给定的输入优化的转矩，(因为，按定义只可以能存在0和1之间)。
如图12所示，图中概述了上述设计方法。如图12所示，电机的设计者假定一种其定子包括先进的低损耗材料的轴向气隙电机。然后设计者选择要求的高端速度。接着，选择约1000Hz作为所述电机要求的同步频率，按照方程式f＝SP/2算出极数，式中S是所述要求的高端运行速度，而P是极数。然后，利用算出的极数和假定所述电机每极每相的槽沟数为0.5，正如以下讨论的，作为一个推荐实施例，可以算出定子的槽沟数。根据要求的用途和限制，选择所述电机的外径。这只剩下h和k要按照上面提供的转矩方程式决定。然后所述转矩方程式对λ进行微分，并把所得方程式设置等于0。然后从所述方程式解出λ。在0和1之间得出的解提供一个对全部给定的输入优化的转矩。
正如上面描述的，上述设计方法提供一种有效的和利用先进的低损耗材料的高效、高功率、高速电气装置一个推荐实施例。当然，可以在所述推荐的实施例外，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，设想其他实施例和设计。
每极每相槽沟数比率在一个推荐的实施例中，本发明提供一种SPP比率最优等于0.5的电动机。在一个推荐的实施例中，本发明提供三相电动机。对于三相电动机，转子磁极数是定子槽沟数的2/3，槽沟数是相数的倍数。尽管三相(星形接法)是行业惯例，本发明不排除采用三角形接法。
一方面，SPP比率以非常高的数目例如，约6开始，向0.5减小，电气装置表现出相当大的转矩镶齿效应、功率电子电路(″PE″)纹波和高噪音电平。如前所述，镶齿效应和PE纹波都产生转矩的变动，后者对所述电气装置的性能具有不希望有的影响。
传统上，焦点一直是制造一种磁芯槽沟数增大而转子磁极数减少的装置，它达到SPP比率1.0至3.0，提供功能更强、噪音较少的电气装置。但是，虽然由于绕组分布较好，在大于1.0的SPP比率下运行的电机提供比较平滑的输出，但是它们受到增加的末端匝数的影响。末端匝数是定子中的金属丝部分中对所述电机的转矩和功率输出不起作用的部分。在这个意义上，它们是不希望有的，它们增加了成本并造成电机的欧姆损失，而同时不带来好处。因而，所述电动机设计者的一个目标是把末端匝数减到最小，并提供一种噪音和镶齿效应易于控制的电动机。
最好希望在SPP比率约0.5下运行，因为其结果是得到一种末端匝数最小电气装置。一般，末端各匝较短，导致更有效地利用铜材料，但是转矩可能得到改善，虽然转矩摄动(镶齿效应)增大。本发明轴向配置的实施例从大于1.0SPP比率得不到好处，而在0.5的SPP的条件下得到较佳性能。另外，在这里提供所述电机相对较高的极数和0.5或者更低的SPP比率，所述转子的磁体(和一般地转子结构)可能做得较薄的和成本较低。
有可能利用金属丝把多个槽沟连接成共同的磁段，这是由大于0.5的SPP定义的。这是定子槽沟数多于转子磁极数目的结果，产生一种分布式绕组。SPP的值小于或者等于0.5表明没有分布式绕组。行业上的惯例是包括定子中的分布式绕组。但是，分布式绕组使SPP的值上升，频率降低。结果是，在传统的SPP＝0.5和低频率的电机中，仍然存在低极数。SPP＝0.5加上低极数，结果是镶齿效应极难控制。
构建一种分数SPP的电动机是有利的，因为这样的电动机可能使用预先形成的绕组，绕在单一的定子齿上。在不同的实施例中，SPP比率是0.25，0.5，0.75，1.0或者大于1.0。在一个推荐的实施例中，SPP比率是0.5。
接线/绕组设计上的灵活性本发明的装置的另一个优点是它允许制造商利用不同的接线配置。传统的定子设计限制绕组设计选择，因为利用SPP比率为1.0至3.0的焦点，这要求在多个槽沟上分配绕组。这变得难以具有大于2或3个分布式绕组的绕组选项。本发明提供利用SPP＝0.5设计的能力，式中一般每个定子齿只有一个分立绕组。但是，本发明不排除其他SPP＝0.5装置。单一的齿绕组可以容易地修改，并重新连接，以便提供给定用途的任何电压要求。于是，只要改变绕组，用单一组电动机硬件即可简单地提供范围宽阔的解决方案。一般地，绕组在电磁体回路中是最容易改变的组件。
于是，给定的一个接近0.5的SPP比率，正如在本发明的装置中，在定子绕组配置上有巨大的灵活性。例如，制造商可以把每一个定子彼此独立，或者制造商可以在同样的定子内提供分离的定子绕组。这个能力是SPP等于0.5的系统的一个优点。尽管偶尔也有工业系统使用SPP＝0.5，但是它们不是广泛采用的，只在适当的应用场所成功地得到满意结果。本发明成功地提供一个SPP等于0.5的系统，它为这种绕组上的灵活性作好准备。
热性能在既包括利用传统的Si-Fe合金又包括利用非晶金属、毫微晶金属、优化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料或者非晶粒定向的基于Fe的材料的全部电气装置中，限制装置输出的特性之一是废热。废热有若干种来源，包括(但是不限于)欧姆损失、趋肤和接近效应损失、磁体及其他转子组件中涡流造成的转子损失和定子磁芯的磁芯损失。因为产生大量废热，传统的电机很快就达到它们排放废热的能力极限。传统的电机的″连续功率极限″往往由电机可以连续地运作，而同时仍旧能够耗散产生的全部废热的最大速度确定的。所述连续功率极限也随电流而变。
但是，在本发明的装置中产生的废热较少，因为非晶金属、毫微晶金属、优化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料、或者非晶粒定向的基于Fe的材料具有比传统的Si-Fe较低的损失，因而设计者可以通过提高频率、速度和功率，利用这些低损耗特性，然后正确地平衡较低的磁芯损失和可能性增大的欧姆损失并在它们之间进行″交易″。
总体上，对于与传统的电机同样的功率，本发明的电动机呈现较低的损失，因而较高转矩和速度，正如在图5举例说明并在下面较详细地讨论的。
因此，本发明的装置可以达到比传统的电机高的连续速度极限。
提高效率本发明的一个优点是它使装置的效率最大化而同时维持效能价格比的能力。效率定义为装置的功率输出除以功率输入。本发明的同时运行在较高换接频率与高极数下的能力的结果是具有低的磁芯损失和高的功率密度。400Hz的高频极限是一种行业标准，即若有实际应用，也很少。
本发明的性能和提高的效率不是用诸如非晶金属等低损耗材料代替传统的Si-Fe时一种简单的固有的特征。从历史的观点看，约15年前有人曾经尝试，但未能符合性能要求(包括过热和功率较低)。这种失败是以一种仅仅针对传统的材料(例如，按重量计Si-Fe具有3.5％或者更小的Si)设计或对其适用的方式来采用新材料(非晶)的结果。这个早期的性能失败，与非晶金属加工为电动机的感觉上的造价结合，使得几乎所述行业全部公司都放弃这项研究。本发明还已经通过设计利用非晶金属、毫微晶金属、优化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料或者非晶粒定向的基于Fe的材料的特性的旋转电机，克服了所述性能失败。其结果是，一种在大于400Hz的换接频率下运行，具有高极数，高效率和高功率密度的全部有利特性的电动机。而同时其他传统的方法已经允许只结合所述四个特性中的两个，本发明提供同时呈现全部四个特性的电动机。
本发明的其他优点是显著地减少效率损失，包括磁滞损失。磁滞损失是在晶粒定向Si-Fe合金磁化过程中由阻抗磁畴壁运动造成的，它可以造成磁芯的过热。提高效率的结果是，本发明的电动机能够达到较大的连续速度范围。所述速度范围问题描述为转矩速度曲线下面的面积。传统的电动机受到它们或者在高速范围提供低转矩(小功率)，或者低速度范围提供高转矩的限制。本发明成功提供高速范围高转矩的电动机。
表2设计参数和性能的比较
1传统的铁芯电动机(由Gieras等人提供数据)2Gieras等人的无铁芯圆盘型设计3在不按照本发明重新设计的情况下，70-32，减小到750rpm
4正如这里公开的示例性电动机，按Gieras等人的同一外径重新设计表2提供本发明的电动机与Gieras等人(2002年7月2日)在IEEE公开的10kW，750rpm的无磁芯圆盘型永久磁铁无刷电动机，和一种等效的10kW，750rpm传统的定子和转子磁芯的设计参数和性能的比较。正如表2所示，按照在这里公开的原则设计的示例性电动机，提供相等或者较大的功率、同样的速度、相等或者较大转矩、大致相同的效率和较大的电流密度(结果是，较低的磁芯损失)。总体上与Gieras等人的电动机或者传统的电动机相比，本发明的电动机还使用较少永久磁铁材料和事实上，较少有效材料。表2还表示，与Gieras等人的系统相比，本发明每公斤有效材料提供相等或者较好的转矩，以类似的热额定功率，成本较低并运行在高得多的频率上(大一倍)。这是通过利用这个实施例用的非晶金属的有利的特性完成的。
表3设计参数和性能的比较
a GE电动机，型号为#5K182BC218A，Qu等人提供的数据b 扣除风扇和散热器用的空间c Yasakawa Electric Co.(公司)电动机，Qu等人提供的数据d 由Federico Caricchi设计，Qu等人提供的数据
e 半径-磁通量，环形缠绕，永久磁铁电机，由Qu等人设计f 每单位质量的转矩g 每单位体积的转矩表3提供本发明的电动机与双转子、半径-磁通量、环形缠绕永久磁铁电机(RFTPM)，Qu等人(2002年7月2日)在IEEE公开的电动机和商业的感应电动机(IM)和内部永久磁铁电机(IPM)以及轴向磁通量环形缠绕永久磁铁电机(AFTPM)的设计参数和性能的比较。两种电动机I和电动机II都在频率1000Hz下运作，具有约13cm外径和类似的热额定功率(1.0-1.45W/in2)。表3表示本发明的电动机对于给定的速度并且以较高效率，提供较大的转矩。
理想化的正方形转矩-速度曲线本发明提供一种电气装置，它以更正方形的转矩-速度曲线运行。图5a表示情况1按照本发明设计的电动机和传统的电动机的转矩-速度曲线，其中速度画在水平轴线上，而转矩在垂直轴线上。所选择的极数为8，尽管任何极数都可以选作比较的装置。最好在电动机中对于任何速度都可以达到任何转矩，这被描绘为所述电动机运行的矩形或者正方形面积。
由于转矩(垂直轴)受欧姆损失造成的热损失限制，传统的电机可以只对于给定的可用空间一个百分数形成正方形转矩速度曲线。另外，速度(水平轴)受到递增频率限制，正如前面讨论的，这还使材料中的磁芯损失递增。就是说，若分析传统的电动机的传统的转矩-速度曲线，人们会得到一条类似于图5a所示的曲线。对照之下，尽管本发明的电动机存在类似的转矩，但是与传统的电动机相比，由于与频率有关的损失低得多，速度范围大大地加宽了。
图5b表示情况2按照本发明的电动机已经重新设计为36极，以便利用高频运行的好处，正如本发明建议的。允许所述磁芯损失具有这样的值，使得新的可以达到的速度极限类似于传统的电机的速度极限。但是，作为高频产生电动势(EMF)的结果，在本发明的电机中，给定的转矩的相应的欧姆损失比在传统的电机中低得多，因此，在不超过热极限的情况下，允许本发明增大电动机的转矩。因此，利用所述低损耗材料的特性的结果是，本发明的性能超过传统的电动机。
本发明的电气装置提供一种转矩-速度曲线，与传统的装置相比，所述曲线下面的面积大大增加。在所述曲线下增大的面积表明，对于给定的设计现在可以达到更多和较大的用途。已知功率随着速度线性增大。正如本发明所提供的，装置速度增大和转矩恒定，所述装置具有较大的功率密度，亦即，对于固定的尺寸功率更大。在上面呈现的情况1和2两种情况下，本发明的电动机性能都优于传统的电动机。
总谐波畸变本发明的另一个优点是在转子装置的磁极跨越定子的磁极时，本发明的装置产生总谐波畸变(THD)低的整洁的正弦曲线。THD是不希望有的，因为它引起附加的和非生产性电流流动，后者本身又引起附加的发热。低THD是相对的，″良好的″设计总是小于5％，并可以要求低于1％。此外，某些制定规章的机构规定THD阈值，如果没有得到规章的批准，不能超过所述THD阈值。例如，为了得到欧洲的CE标记，必须满足一定的THD值。
0.5的SSP比值有助于产生更加正弦形的输出，可以借助于电子线路机一步改善所述输出。由于本发明使用非晶金属、毫微晶金属、优化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料或者非晶粒定向的基于Fe的材料以便有利地使用SSP＝0.5的最佳值，因此通过考虑适当地使用所述材料，可以得到低THD的第三个好处。
实例已经按照上述电机概念设计一种电动机。所述电动机的磁芯由Metglass合金2605SA1制成，并形成槽沟，带有54个彼此等距地隔开的齿。定子绕组是单层线圈26+/-1匝，室温下电阻约为0.011Ω。转子组件由36个转子磁铁构成，极性交替地排列在转子平板上。转子磁铁是稀土/铁/硼磁铁，最大能量乘积大于36MGOe，而内部矫顽力大于21kOe。这个电机的性能特性列于下面表4表4示例性性能逆变器 320Vrms线路有效输出功率 80852 瓦轴转矩 214Nm速度 3600 rpm效率 94％电机冷却 液体极对数 18每定子槽沟数 54电机总体尺寸外径 308mm长度 117mm电气的、相位特性Ke 66 Vrms/krpm线路Ke 0.363 V-sKe的THD 2.9％电阻 11.8 m-ohm电感 85.8 μH有效材料质量NdFeB磁体 2.0kg铜 3.7kg非晶金属 19.1kg本专业技术人员不难意识到，本发明非常适合于达到目标，并获得上述目的和优点以及它固有的优点。这里描述的电气装置，正如当前呈现的推荐的实施例，是示例性的而不打算限制本发明。本专业的技术人员会想到其中的改变及其他用途，这些都包括在本发明的精神内，由权利要求书的范围定义。
对本专业技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对这里所公开的本发明可以作出改变、替代和修改。例如，尽管这里已经描述了轴向间隙电机，但是按照这里所公开的原理可以设计其他类型的电机，诸如半径间隙电机或者线性电机。
另外，电机可以包括若干永久磁铁电机以外的电机，诸如感应电机、同步电机、同步磁阻电机、开关磁阻电机和直流电磁体电机。另外，其他类型的转子和/或定子绕组方案全都在本发明的范围之内。于是，这样的附加实施例是在本发明及以下权利要求书的范围内。
本文描述了组件或者限制，所述组件或者限制具有与所述组件或者限制相联系的各种各样不同的可能的数目或者尺寸，在附加的实施例中，组件或者限制处于一定范围内，通过从作为所述范围的端点提供的特别值中取任何两个值来规定所述范围。所述范围包括端点，除非明确指出相反的情况。
权利要求
1.一种电磁装置，它包括(a)至少一个定子组件，它包括由低损耗软磁材料制成的整体磁芯，其中所述整体磁芯包括若干槽沟，并且其中以定子绕组缠绕所述槽沟；以及(b)至少一个磁场组件，它包括多个磁极，所述磁场组件配置和排列成与所述至少一个定子磁相互作用，其中所述低损耗软磁材料的特征是磁芯损失小于″L″，式中L由下式给出L＝12·f·B1.5+30·f2.3·B2.3L是损失，以W/kg为单位，f是频率，以KHz为单位，以及B是峰值磁通密度，以特斯拉为单位；并且其中所述电磁装置的频率在所述装置运行的过程中高于300Hz。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述装置是轴向气隙装置。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述电磁装置的频率在所述装置运行的过程中大于约400Hz。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述装置的频率在所述装置运行的过程中处在400Hz和1000Hz之间。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述装置的频率在所述装置运行的过程中为大约1000Hz。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述低损耗软磁材料是非晶金属。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述低损耗软磁材料是毫微晶金属。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述低损耗软磁材料是优化的Si-Fe合金。
9.如权利要求1所述的装置，其中所述整体磁芯也是单体磁芯。
10.如权利要求1所述的装置，其中所述装置的每极每相槽沟数为大约0.5。
11.如权利要求1所述的装置，其中磁场组件是转子。
12.如权利要求1所述的装置，其中所述多个磁极在大于约12,000转/分的速度下多于4个磁极。
13.一种制造电磁装置的方法，所述方法包括(a)选择低损耗软磁材料，所述低损耗软磁材料的特征在于磁芯损失小于″L″，式中L由下式给出L＝12·f·B1.5+30·f2.3·B2.3，式中L是损失，以W/kg为单位，f是频率，以KHz为单位，以及B是峰值磁通密度，以特斯拉为单位；(b)提供至少一个定子组件，它包括由所述低损耗软磁材料制成的整体磁芯；(c)在所述槽沟中设置定子绕组；以及(d)提供至少一个磁场组件，所述至少一个磁场组件包括用于与所述定子绕组磁互相作用的多个磁极。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述电磁装置是轴向气隙装置。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述多个磁极包括36极。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述多个磁极在大于约12,000转/分的速度下多于4个磁极。
17.如权利要求13所述的方法，其中所述装置每极每相的槽沟数为大约0.5。
18.如权利要求13所述的方法，其中所述低损耗软磁材料是非晶金属。
19.如权利要求13所述的方法，其中所述低损耗软磁材料是毫微晶金属。
20.如权利要求13所述的方法，其中所述低损耗软磁材料是Si-Fe合金。
21.如权利要求13所述的方法，其中所述整体磁芯也是单体磁芯。
22.一种电磁装置，它包括(a)至少一个定子组件，它包括由低损耗软磁材料制成的单体磁芯，其中所述单体磁芯包括若干槽沟，并且其中以定子绕组缠绕所述槽沟；以及(b)至少一个磁场组件，它包括多个磁极，所述磁场组件配置和排列成与所述至少一个定子磁相互作用，其中，所述低损耗软磁材料的特征是磁芯损失小于″L″，其中L由下式给出L＝12·f·B1.5+30·f2.3·B2.3，式中L是损失，以W/kg为单位，f是频率，以KHz为单位，以及B是峰值磁通密度，以特斯拉为单位；以及其中所述电磁装置的频率在所述装置运行的过程中高于300Hz。
23.如权利要求22所述的装置，其中所述装置是轴向气隙装置。
24.如权利要求22所述的装置，其中所述电磁装置的频率在所述装置运行的过程中大于约400Hz。
25.如权利要求22所述的装置，其中所述装置的频率在所述装置运行的过程中处在400Hz和1000Hz之间。
26.如权利要求22所述的装置，其中所述装置的频率在所述装置运行的过程中为大约1000Hz。
27.如权利要求22所述的装置，其中所述低损耗软磁材料是非晶金属。
28.如权利要求22所述的装置，其中所述低损耗软磁材料是毫微晶金属。
29.如权利要求22所述的装置，其中所述低损耗软磁材料是优化的Si-Fe合金。
30.如权利要求22所述的装置，其中所述装置每极每相的槽沟数为大约0.5。
31.如权利要求25所述的装置，其中所述多个磁极包括36极。
32.如权利要求22所述的装置，其中在大于大约12,000转/分的速度下所述多个磁极多于4个磁极。
33.如权利要求25所述的装置，其中所述磁场组件是转子。
34.一种制造电磁装置的方法，所述方法包括(a)选择低损耗软磁材料，所述低损耗软磁材料的特征在于磁芯损失小于″L″，式中L由下式给出L＝12·f·B1.5+30·f2.3·B2.3，式中L是损失，以W/kg为单位，f是频率，以KHz为单位，以及B是峰值磁通密度，以特斯拉为单位；(b)提供至少一个定子组件，它包括由所述低损耗软磁材料制成的单体磁芯；(c)在所述槽沟中设置定子绕组；以及(d)提供至少一个磁场组件，所述至少一个磁场组件包括用以与所述定子绕组磁互相作用的多个磁极。
35.如权利要求34所述的方法，其中所述电磁装置是轴向气隙装置。
36.如权利要求34所述的方法，其中所述多个极包括36极。
37.如权利要求34所述的方法，其中在大于大约12,000转/分的速度下所述多个磁极多于4个磁极。
38.如权利要求34所述的方法，其中所述装置每极每相的槽沟数为大约0.5。
39.如权利要求34所述的方法，其中所述低损耗软磁材料是非晶金属。
40.如权利要求34所述的方法，其中所述低损耗软磁材料是毫微晶金属。
41.如权利要求34所述的方法，其中所述低损耗软磁材料是Si-Fe合金。
42.如权利要求34所述的方法，其中所述磁场组件是转子。
全文摘要
本发明一般地涉及电气装置，诸如电动机、发电机、再生式电动机，它具有由先进的低损耗材料形成的缠绕定子磁芯，在推荐的实施例中，所述电气装置是一种轴向气隙类型配置。本发明提供一种电气装置，它具有高极数，在高换接频率下运行，具有高效率和高功率密度。本发明采用的先进低损耗材料包括非晶金属、毫微晶金属和优化的Si－Fe合金。
文档编号C22C21/00GK1842952SQ200480008612
公开日2006年10月4日 申请日期2004年1月30日 优先权日2003年1月31日
发明者A·D·希尔泽尔, J·A·戴, B·C·西蒙斯, M·R·约翰斯顿 申请人:莱特工程公司