利用结构化磁性材料的结构及方法

利用结构化磁性材料的结构及方法
【专利摘要】一种合成物，包括多个含铁微粒以及在所述含铁微粒上的绝缘层。所述含铁微粒限定了由绝缘边界分离开的可渗透微畴的聚集。一种方法，包括加热铁铝合金微粒，热喷涂铁铝微粒，使得铁铝微粒氧化，并且在基底上沉积氧化的铁铝合金微粒。
【专利说明】
利用结构化磁性材料的结构及方法
技术领域
[0001] 这里所公开的示例性且非限制的实施例大体上涉及磁性材料以及并入了这种磁 性材料的结构并且更为特别地，涉及一种软磁材料，该软磁材料具有有利于节能设备中的 使用的属性。
【背景技术】
[0002] 自动化的机械设备通常使用电动机来为设备的各种运动元件提供平移或者旋转 的运动。所使用的电动机典型地包括与静止元件装配在一起的旋转元件。磁体位于旋转元 件和静止元件之间。线圈围绕着静止元件上的软铁芯而缠绕并且邻近磁体放置。
[0003] 在操作电动机时，电流经过线圈，并且生成磁场，其作用在磁体之上。当磁场作用 于磁体上时，旋转元件的一侧被推送并且旋转元件的相对侧被拖拉，其由此导致了旋转元 件相对于静止元件的旋转。旋转的效率至少部分地基于制备电动机所使用的材料的特性。

【发明内容】

[0004] 下面的综述仅仅意在于作为示例性的而非意在于限制权利要求的范围。
[0005] 根据一个方面，一种合成物，包括多个含铁微粒以及在含铁微粒之上的绝缘层。该 含铁微粒限定了由绝缘边界分离的可渗透微畴的聚集。
[0006] 根据另一个方面，一种方法，包括加热铁铝合金微粒;热喷涂铁铝微粒;使得铁铝 微粒氧化;并且将氧化的铁铝微粒沉积在基底之上。
[0007] 根据另一个方面，一种装置，包括具有至少一个芯的定子;在至少一个芯之上的线 圈；可旋转地安装在定子中的转子；以及至少一个安装在定子和转子之间的磁体。所述至少 一个芯包括由具有设置在其上的氧化层的含铁微粒限定的合成物。
【附图说明】
[0008] 在下面的描述中，结合附图对前述的方面和其他特征进行解释，其中：
[0009] 图1为具有由绝缘边界分离的可渗透微畴的聚集微结构的软磁材料的一个示例性 实施例的示意性表示；
[0010]图2A和图2B为形成图1的软磁材料的铁铝合金的沉积过程的示意性表示；
[0011]图3A到图3C为利用各种沉积技术产生的软磁材料的微结构的照片；
[0012]图4A到图4C为利用软磁材料制备的结构的照片；
[0013] 图5A到图为软磁材料的各种形态的示意性表示；
[0014] 图6A为利用软磁材料制备的环形结构的示意性表示；
[0015 ]图6B到图6D为在XZ、YZ和XY平面中描述了各向同性特性的软磁材料的微结构的照 片；
[0016] 图7为并入了软磁材料的电动机的一个示例性实施例的透视截面图；
[0017] 图8为并入了软磁材料的电动机的另一个示例性实施例的透视截面图；
[0018]图9和图IOA为并入了软磁材料的电动机的另一个示例性实施例的透视截面图； [0019]图IOA为并入了软磁材料的电动机的另一个示例性实施例的透视截面图；
[0020] 图IOB为图IOA的电动机的定子极的一个示例性实施例的透视图；
[0021] 图11到图14A为并入了软磁材料的电动机的其他示例性实施例的透视截面图； [0022]图14B为图14A的电动机的爆炸透视截面图；
[0023] 图15A为并入了软磁材料的电动机的另一个示例性实施例的透视截面图；
[0024] 图15B为图15A的电动机的爆炸透视截面图；
[0025] 图16A为并入了软磁材料的电动机的另一个示例性实施例的透视截面图；
[0026] 图16B为图16A的电动机的爆炸透视截面图；
[0027] 图17A为电动机的一个示例性实施例的定子横截面的示意性表示；
[0028] 图17B和图17C为并入了软磁材料的电动机的示例性实施例的定子横截面的示意 性表示；
[0029] 图18A为并入了软磁材料的电动机的另一个示例性实施例的透视截面图；
[0030] 图18B为图18A的电动机的维形定子极的顶视图的不意性表不；
[0031 ]图18C为图18A的电动机的爆炸透视截面图；
[0032] 图19为并入了软磁材料的电动机的截面的示意性表示；
[0033] 图20为并入了软磁材料的电动机的定子的示例性实施例的透视截面图；
[0034] 图21为与图20的定子一同使用的转子的示例性实施例的透视截面图；
[0035] 图22和图23为并入了软磁材料的电动机的示例性实施例的透视截面图；
[0036] 图24为并入了软磁材料的电动机的转子的示例性实施例的透视截面图；
[0037]图25为与图24的转子一同使用的定子的示例性实施例的透视截面图；
[0038]图26为图24和图25各自的转子和定子的装配的透视截面图；
[0039] 图27为并入了软磁材料的定子的示例性实施例的横截面的示意性表示；
[0040] 图28和图29为并入了软磁材料的电动机的示例性实施例的透视截面图；
[0041 ]图30为并入了软磁材料的无槽定子的一个示例性实施例的透视截面图；
[0042] 图31为与图30的无槽定子一同使用的转子的一个示例性实施例的爆炸透视截面 图；
[0043] 图32为并入了图30和图31各自的无槽定子和转子的电动机的一个示例性实施例 的透视截面图；
[0044] 图33为并入了无槽定子和软磁材料的电动机的另一个示例性实施例的透视截面 图；
[0045] 图34为混合无槽电动机的一个示例性实施例的透视截面图；
[0046]图35A到图35C为图34的电动机的定子的透视图；
[0047]图3?和图38为图34的电动机的线圈绕组的透视图；
[0048]图35E为图34的电动机的定子芯的透视图；
[0049]图36A到图36E为图34的电动机的转子的透视图和透视截面图；
[0050]图37为图34的电动机的示意性表示；
[0051]图39为图34的电动机的转子极的侧截面图；
[0052]图40为示出了密封(potted)在定子之上的线圈绕组的图34的电动机的示意性表 不，；
[0053]图41为软磁材料的横截面的电子显微镜图像；
[0054]图42为软磁材料的X-射线衍射光谱的图形表示；
[0055]图43为镍铝合金的喷涂微粒的微结构的图像；
[0056] 图44A和图44B分别为Fe-Al-Si合金和Fe-Al合金的相图；
[0057] 图45为用以形成并入了软磁材料的转子的掩模和模版系统（stencil system)的 示意性表示；
[0058]图46A到图46C为具有开槽定子的电动机的示例性实施例的示意性表示。
【具体实施方式】
[0059]参照图1到图6D，公开了用于电气设备和电气设备组件的软磁材料以及制造这种 材料以及电气设备本身的方法的示例性实施例。软磁材料大体上用参考标号10来指代。可 以随同这种软磁材料10使用的电气设备包括但不限于电动机。这种电动机可以例如用于机 器人应用、工业自动化、HVAC系统、电器、医疗设备、以及军事和空间探索应用中。可以随同 这种材料使用的组件包括但不限于电动机绕组芯或其他适合的软磁芯。虽然将参照在附图 中示出的实施例来描述本发明，应当理解的是本发明可以实施为许多形式的替代实施例。 此外，可以使用任何适合尺寸、形状或者类型的材料或元件。
[0060] 具体地参照图1，软磁材料10具有适合柔软度和机械强度，并且经由在活性气氛中 沉积合金元素而形成块材料，从而产生具有高磁导率和低矫顽力的小的微畴^(micro-domain) 的聚集，该小的微畴 12 的聚集由限制了微畴 12 之间的电气传导性的绝缘边界 14 分 离开。将这种块材料使用在电气设备中允许了性能和效率的增益。例如，将软磁材料10使用 在电动机绕组芯中可以提供有效的磁性路径而同时使得与涡流电流相关联的损失最小化， 该涡流电流由于磁场随着其中安装了电动机绕组芯的电动机的旋转的迅速改变而在绕组 芯中所感应。这就允许了通常与传统的电动机的各向异性层叠芯相关联的设计约束的实质 上的消除。
[0061] 参照图2A和图2B，用以获得软磁材料10的沉积过程的一个示例性实施例的示意性 表示大体上由参考标号20来指代并且在之后被称为"沉积过程20"。如在沉积过程20的图2A 中所示出的，利用基于金属喷涂技术的单一步骤网状制备过程将合金元素的微粒22沉积在 基底24之上。为了获得具有所希望的微结构的所产生的软磁材料10,限定了各种与所使用 的合金的状态相关的参数。关于第一示例性参数，微粒22的温度足够高从而使得微粒22的 材料软化而同时低于该材料的熔点。由此，微粒22基本上保持为固体并且在撞击到基底24 的表面时维持其整体的纵横比。更为具体地，微粒22在飞行中处于半熔化状态。关于第二示 例性参数，微粒22的氧化在沉积过程20中受到限制，其允许将微粒22基本上保持为金属的 并且保留其机械强度和磁属性。关于第三参数，微粒22在沉积过程20中的速度可以符合或 者超过一些最小的飞行速度从而确保微粒22与之前沉积的微粒的粘附性，由此允许建立块 合金从而形成具有足够机械强度的软磁材料10,如图2B所示出的。前述的参数（以及其他的 参数)可以通过选择微粒尺寸范围、化学合成物以及各种沉积过程20的过程参数来达到。用 来执行沉积过程20的系统可以为高速空气燃料(HVAF)系统、高速氧燃料(HVOF)系统或者等 离子喷涂系统。
[0062]商业上可获得的合金元素可以用做微粒22。例如，合金元素可以是任何基于铝的 粉末(例如，FE-125-27以及类似），诸如这些可以从印第安纳州的印第安纳波利斯普莱克斯 表面技术（Praxair Surface Technologies of Indianapolis，Indiana)获得。在一个不例 性实施例中，合金可以具有89%Fe-10%Al-0.25%C(所有的百分比为重量百分比）的成分。 这种合金具有约为1450°C的熔点并且适于使用在HVAF系统中，其中用来气体雾化（gas-atomize)合金的承载气体具有约为900 °C到约1200 °C的温度。这种合金还适于HVOF系统，其 在低于约1400°C的温度处进行操作。虽然这里所描述的示例性实施例指向具有89^^ 6_ 10 % Al-0.25 % C成分的合金，具有其他成分的合金可以用在其他的示例性实施例中。
[0063]合金微粒通常为球形并且能够被气体雾化，这使得其适于用作在HVAF系统或HVOF 系统中的微粒22,因为其在沉积过程20中可以自由地流动而不会形成集群。合金微粒尺寸 的选择影响着沉积过程20中的微粒速度以及合金微粒温度。在利用经由HVOF的沉积的一个 示例性实施例中，在约25微米到约45微米的范围中的合金微粒可以产生所希望的微粒温度 和速度。
[0064]在利用HVAF系统的沉积过程20中，所得到的软磁材料10的希望的微结构可以通过 连续薄涂层的沉积而产生为块材料。HVAF系统可以利用聚焦的微粒束并且可以具有约为 80 %或更多的沉积效率。如图3A所示出的，软磁材料10的微结构的横截面描述了分立的微 畴12，其中软磁材料10的更大的微粒保持了其整体的纵横比并且被分立的边界14所标记。 [0065] 利用HVOF系统的沉积过程20可以在约为1400 °C到约1600 °C的温度范围中进行操 作从而产生希望的软磁材料1 〇的微结构，如图3B所示出的。在HVOF系统中，软磁材料10可以 利用低燃烧温度设置以将沉积的材料提供为薄涂层来产生。然而，这个低燃烧温度设置可 能伴随撞击基底24的微粒22的较低速度，由此导致低于50%的沉积效率。
[0066]参照图3C，软磁材料10的希望的微结构可以利用低能量等离子喷涂系统来产生。 如可以看见的，在微畴12和较大的微粒之间的分离可能不如利用HVAF系统或者HVOF系统产 生的软磁材料10中那样轻易可辨。
[0067] 在利用前述示例性系统中任一个的沉积过程20中，通过将合金热喷涂为在基底24 之上的微粒22来形成软磁材料10。喷涂的微粒22形成材料的致密的、紧密堆积的固体层，其 包括由电气绝缘的绝缘边界14分离的致密堆积的微畴12。进一步，形成材料的固体层的喷 涂的微粒22可以在约为1925华氏度的温度处接受热处理达到约4个小时，接着缓慢冷却到 约为900华氏度（以每小时100华氏度的速率持续约10个小时），接着进一步空气冷却到约为 室温。
[0068] 通过具有若干各种形态中的任一个的微粒22来限定合金元素。在任何形态中，合 金元素(撞击微粒)包括铁和铝，其中铝氧化以在铁上形成保护性的矾土(即，氧化铝)层。保 护性的氧化铝层可以完全地围绕微粒芯，或者微粒芯可能由于保护层中的缺陷或闭塞的存 在而未被完全覆盖。由于氧化铝较之铁的任何氧化物更为稳定，在合金中的铝的适合的浓 度提供了充足量的氧化铝而没有(或者基本上没有)氧化铁。在一个示例性实施例中，合金 为包括89%Fe-10%Al-0.25%C的铁-铝合金。合金并不限于此，可以使用任何其他适合的 材料。
[0069] 参照图4A到图4C，利用沉积过程20，软磁材料10可以用来产生铸锭30(图4A)，圆柱 32(图4B)，或者可以机器加工以产生环形部件34(图4C)的任何适合的结构。在沉积过程20 中产生的结构(例如圆柱32,环形部件以及类似)可以用作电动机和电动机组件的制备中的 元素。
[0070] 在用来形成软磁材料10的微粒22的一个示例性形态中，如图5A所示出的，微粒22 具有铁-铝合金40的均匀成分。在微粒22的表面处的铝与周围环境(其可以是空气或者富氧 空气）中的氧发生反应从而形成氧化铝，由此导致在其外表面之上具有薄氧化铝层42的铁-铝合金微粒。铁-铝合金40的铝浓度被选择为有助于连续的氧化铝层42的形成而同时消除 氧化铁的形成或者至少将其降低到最小。由于氧化速率随着温度而增加，微粒可以处于升 高的温度从而增加氧化动力。微粒温度同样升高到足够高的温度从而对其进行软化并且实 现形成致密堆积结构所必须的形变。为了形成致密堆积的固体，在撞击表面之前将微粒加 速到足够的速度。在一些实施例中，可以将硅添加为合金元素。在一些合成物中，硅将改善 磁属性并且同时不会阻碍氧化铝的形成。
[0071] 在如图5B所示出的微粒22的其他示例性形态中，微粒22可以由从铁-铝合金40到 表面的浓度梯度来限定。在表面处的铝由铁-铝合金中的适合的铝浓度来形成。然而，铝降 低了铁的饱和通量密度。为了将饱和通量密度最大化，得到的微粒具有纯铁芯44以及从铁 芯44到微粒表面48的增加的铝的浓度46。这种形态通过在微粒上沉积铝层并且热处理从而 允许铝扩散进入微粒中以形成具有铝的变化浓度46的合金来获得。微粒在惰性环境中进行 热处理从而防止具有铝浓度的铝的氧化，该铝浓度被选择用来促使沿着表面48的连续的氧 化铝层42的形成而没有(或至少基本上没有)形成氧化铁。周围的环境可以是空气或者富氧 空气，并且由于氧化速率随着温度而增加，合金微粒可以处于升高的温度从而增加氧化动 力。正如之前的实施例，为了形成致密堆积的固体，在撞击表面之前微粒被加速到足够的速 度。微粒温度同样也被提升到足够高的温度从而软化合金材料并且实现形成致密堆积结构 所必须的形变。进一步，硅可以作为合金元素被添加从而例如改善磁属性而同时不会阻碍 氧化铝的形成。
[0072]如图5C所示，在微粒22的另一个示例性形态中，铁或者铁合金的基础微粒50可以 封装在氧化铝层42中。这些涂敷有氧化铝的铁(或铁合金)微粒可以通过原子层沉积(ALD) 过程来获得，其涉及沉积薄铝层并且将层暴露在氧气中从而允许层进行氧化，接着相继地 沉积并且氧化接下来的层。然而沉积过程并不限于ALD，由于任何适合的过程可以提供用以 在铁或者铁合金微粒之上形成氧化铝层。若干这种层被沉积从而达到所需要的氧化铝层42 的厚度。基础微粒50可以是纯的铁或者增强了磁属性的铁合金，诸如铁-钴、铁-镍、铁-硅或 者类似。为了形成致密堆积的固体，在撞击表面之前微粒被加速到足够的速度。在沉积过程 20期间，微粒温度被升高到足够高的温度从而软化微粒并且实现微粒的形变以形成致密堆 积的结构。正如其他的实施例，也可以将硅作为合金元素进行添加从而改善磁属性而同时 避免氧化铝的形成或者使其最小化。将1 %的硅作为合金元素添加到具有约IOwt. %的铝的 铁-铝合金中允许制造具有最低碳含量(以及可能地较大尺寸的微粒)的原材料。
[0073]如图5D所示，在微粒22的另一示例性形态中，基础微粒50包括可以封装在铝中的 铁或者铁合金芯，铝进行氧化从而在沉积过程期间形成氧化铝层42。基础微粒50例如为纯 铁或者增强磁属性的铁合金(例如铁-钴、铁-镍、铁-硅或者类似）。周围的环境可以是空气 或者富氧空气或者具有严密控制氧环境的环境。如之前的实施例，为了形成致密堆积固体， 在撞击表面之前微粒被加速到足够的速度。在沉积过程20期间，微粒温度被升高到足够高 的温度从而软化微粒并且实现微粒的形变以形成致密堆积的结构。正如之前的实施例，也 可以将硅作为合金元素进行添加从而改善磁属性而同时避免氧化铝的形成或者使其最小 化。
[0074] 由前述的微粒22的形态的任一个形成的所得到的软磁材料10的电磁属性包括但 不限于饱和通量密度、磁导率和由于磁滞现象的能量损失、以及由于涡流电流的能量损失。 包括每一个由薄绝缘边界围绕的具有适合的磁属性的致密堆积的微畴的微结构提供了这 种希望的电磁属性。微畴的磁属性以及边界的绝缘属性依次为诸如合金成分、晶格结构、氧 化热力学和动力学的一个或多个物理和化学属性的函数。
[0075] 关于晶格结构，包括89%Fe_10%Al的合金具有与铁相同的体心立方(BCC)。这个 晶格结构与高磁性磁导率和适合的磁属性相关联。进一步，在存在0.25%碳时，合金保持了 其BCC结构一直到1000 °C的温度。热处理实现了固体中存在的任何面心立方结构和马氏体 结构转换为BCC结构。合金中的铝的原子比率约为20%并且因此合金具有低于纯铁约20% 的饱和通量密度。此外，合金已知为具有大于纯铁的电阻系数，导致了较低的涡流电流损 失。
[0076]在约为0.25%的范围中的碳可以促使粉末制造期间的气体雾化过程。低于约1000 摄氏度，碳作为碳化物析出物而存在，其可能通过例如降低初始磁导率并且增加磁滞损耗 来影响磁属性。
[0077] 当合金微粒在约为1000°C到约1500°C的温度范围处的氧化环境中，形成的适合的 稳定氧化物为氧化铝。这个氧化物层的形成速率和希望的厚度由合金微粒在沉积环境中的 氧化动力学来确定。元素铝形成1-2纳米(nm)厚度的氧化物层，有效地阻挡了进一步的氧 化。此外，通过利用软件模拟包的氧化动力学模拟，确定尺寸在25微米-40微米的位于约 1500°C的温度处的纯铁微粒在其飞行持续期间（利用具有此处所描述的HVAF、HV0F或者等 离子喷涂系统中的任一个的沉积过程20,估计其为约为0.001秒)生长了 500nm厚度的氧化 物层。因此，希望的围绕每个微粒的氧化物层的厚度至少约为Inm并且高达约500nm〇
[0078] 现在参照图6A到图6D，在任何实施例中，希望具有喷涂样本中磁属性的各向同性。 各向同性允许在具有3维磁通流(flux flow)的电动机中使用材料。在公开的实施例中可测 量的磁属性为按照ASTM A773标准的沿着环形样本(如图6A中所示出的）的圆周方向可测量 的。虽然沿着其他两个正交方向（轴向和径向）的测量可能是不可能的，在三个正交平面上 的样本横截面的微结构，其在图6B、图6C和图6D中示出并且分别对应于沿着XZ平面、YZ平面 和XY平面的示图，示出了材料中的各向同性的程度。即使微畴在某些程度上沿着作为与喷 涂方向垂直的方向的圆周方向拉伸，其仍然展现出以其形状的高度的各向同性。
[0079]通过40和46参照图7,示出了其中可以并入软磁材料10的电动机的各种示例性实 施例。所描述的电动机意在于作为具有利用来自高分辨率旋转编码器的位置反馈的正弦波 换向的三相无刷电动机而被驱动。
[0080]具体地参照图7,其中磁通流沿着垂直于电动机的旋转轴的平面的永磁式电动机 大体上示出在100。电动机100具有可旋转地安装在定子106上的磁性钢(或其他适合的磁性 材料）的转子102。磁体104位于转子102的外部径向表面上。定子106具有层叠的钢芯，其具 有沿着定子106的内边沿限定的定子极108以及位于每个定子极108处的绕组或线圈110。电 动机100可以并入软磁材料10。
[0081]参照图8,此处描述的软磁材料10可以并入电动机(例如，作为定子或者定子的至 少部分）。并入了软磁材料10的磁通电动机的一个示例性实施例大体上由参考标号200指代 并且此后称为"电动机200"。电动机200为具有可旋转地安装在定子206中的转子202的三维 磁通电动机。转子202可以配置为轴杆。转子202的径向外圆柱形表面限定了转子极212,并 且定子206的内侧边沿限定了定子极208。定子206连同定子极208包括多个槽隙，其限定了 围绕其放置了作为个体绕组的线圈210的芯。然而，在代替的配置中，形成为分布的绕组的 线圈可以提供在定子极208处。
[0082] 在电动机200中，磁体204位于转子极212处。转子极212和定子极208连同磁体204 的形状将在转子和定子之间的磁通引导为处于三维的单一平面之外的方向上。磁体204可 以具有径向外圆柱形表面，其邻接两个圆锥形表面并且终结于两个更小直径的圆柱形表 面。磁体204示出为在形状上为单一的。然而，在替代的实施例中，磁体可以包括个体的区段 从而形成形状。类似地，定子极208配置为接近Y-形状横截面，其定义了对应于磁体204之上 的相对表面的表面。Y-形状横截面进一步允许沿着定子内的电动机的径向、轴向以及/或圆 周方向中的一个或多个的磁通流。
[0083] 磁体204和定子极208之间的圆锥形气隙214允许沿着电动机的径向、轴向以及或 圆周方向的磁通流。由于转子极212在定子极208的方向上延伸并且由于定子极208同样在 转子极212的方向上延伸，在转子极212和定子极208之间的圆锥形气隙214中限定了圆锥形 转矩产生区域，较之于如图7所示出的永磁性电动机100而言其得到了更高的转矩量。由圆 锥形气隙214限定的较大的圆锥形转矩产生区域抵消了略微减少的转矩产生半径和略微减 少的线圈空间，且仍有盈余。
[0084] 转子202以及/或定子206(或者至少定子206的芯)可以由具有高饱和磁通密度、磁 导率以及低的由于磁滞现象的能量损耗和由于涡流电流的能量损耗的软磁材料10制成。包 括具有适合的磁属性的、每一个由薄绝缘边界围绕的致密堆积微畴的微结构可以产生所希 望的电磁属性，这种电磁属性有助于三维磁通路径的使用，这与利用一维磁通路径、例如在 平面中的路径的传统电动机不同。类似地，进一步公开的实施例可以利用这种材料。
[0085] 现在参照图9,具有圆锥形气隙的三维磁通电动机的变形大体上示出于300处。在 电动机300中，转子312可旋转地安装在定子306中从而转子极312面向定子极308。定子306 (或至少其芯)可以包括软磁材料10。磁体304位于转子极312之上。由转子极312之上的磁体 304和定子极308之间的圆锥形气隙314限定的转矩产生区域为圆柱形的并且仅仅沿着轴向 方向延伸。此外，定子306的外侧壁307同样在轴向方向上延伸。外侧壁307的这个延伸允许 使用较薄的定子壁而不会减损对于磁通流所能获得的定子壁横截面面积。外侧壁307的延 伸还提供了用于线圈310的额外的空间。虽然由于位于转子极312之上并且与定子极308相 邻的磁体304的延伸的属性，圆锥形气隙314为圆柱形的，磁通被导向在多于一个平面中，由 此导致了三维磁通模式。
[0086] 现在参照图IOA和图IOB，磁通电动机的另一个示例性实施例大体上示出在400处。 如之前所公开的实施例，电动机400包括可旋转地位于定子406中的转子402。定子406包括 定子极408和线圈410,每个线圈410的横截面面积通过线圈410和定子极408二者沿着径向 方向而锥形渐变而使得定子极408的横截面面积得到最大化。更具体地，每个线圈410的圆 周尺度沿着界面416而锥形渐变从而每个线圈410的圆周尺度随着半径增加，而定子极408 的轴向尺度沿着界面416而锥形渐变因此定子极408的轴向尺度随着半径降低。即使这里所 公开的示例描绘了永磁体电动机，在可代替的方面，任何所公开的实施例适用于可变磁阻 电动机(例如，非永磁性极)或者任何其他适合的电动机。与延伸的定子极的面相组合的锥 形的定子极408有助于在定子406和转子402之间的在多于一个平面中的磁通量。
[0087]参照图10B，示出了描述二维锥体的定子极408的一个示例性实施例。如可以看见 的，定子极408的轴向尺度随着增加的半径从高度H1降低到高度H2。此外，定子极408的圆周 宽度在径向方向上从宽度W 1增加到宽度此从而保持定子极408的横截面的"齿形区域"。在一 个示例性的方面，定子极408的锥形部分的横截面区域可以保持为恒定从而在定子极408内 的磁通密度可以跨越该截面而保持。
[0088] 现在参照图11，电动机的另一个示例性变性大体上示出在500处。电动机500实现 了转子502和定子506的轴向装配。实施例类似于图IOA和图IOB的实施例，除了转子502和定 子506的仅一端为带角度的(沿着表面520)而另一端为直的或者圆柱形的（沿着表面522)。 在图11中示出的实施例允许转子502被轴向地装配到定子506。在替代实施例中，任何公开 的实施例的方面可以组合在任何适合的组合中。
[0089] 现在参照图12，电动机600有转子602和分开的定子606，从而有助于在绕组之前或 之后定子606关于转子602的装配。如所示出的，电动机600可以具有类似于上面所描述的这 些的特征。然而，分开的定子606允许转子602具有单一的整体构造，其中第一定子部分607 和第二定子部分609可以在关于转子602圆周地装配，两个部分607、609中的每一个在位于 平面中的分离线611处相接合，该平面处磁通将在平面方向上被导向。在分离线611的相对 侧上的分开的定子606的部分将转子602和分开的定子606之间的磁通导向在包括多于一个 平面的方向上，导致了三维磁通模式。
[0090] 现在参照图13,另一个示例性实施例的电动机700包括转子702和分开的定子706， 其中分开的定子706被分为三层（内侧部分707，中间部分709，外侧部分713)，围绕其缠绕线 圈710。中间部分709可以制备为具有与内侧部分707和外侧部分713不同的材料。在中间部 分709中，磁通流可以基本上为平面的。内侧部分707和外侧部分713可以制备为具有有助于 三维磁通流的材料。
[0091] 如图14A和图14B所示出的，另一个示例性实施例的电动机800包括分开的凹形转 子802,其具有每一个具有各自的磁体807、809的第一转子部分803和第二转子部分805,第 一转子部分803和第二转子部分805的每一个轴向装配到定子806中。转子802的分开的配置 允许定子806具有单一的整体构造，从而转子802的第一转子部分803和第二转子部分805可 以例如在缠绕完线圈810之后关于定子806进行装配。分离线817位于其中磁通将被导向在 平面方向上的平面中。在分离线817的相对侧上的转子802的部分将转子802和定子806之间 的磁通导向在包括多于一个平面的方向上，由此导致了三维磁通模式。在替代的方面，定子 806还可以分开为两层或多层。例如，在分开为三个部分的定子806中，中间部分可以由层叠 的钢制成，如之前所公开地。电动机800允许沿着径向、轴向和圆周方向的磁通流。由于电动 机800具有在径向方向上延伸的定子极808和转子极812,较之于传统的电动机而言，具有附 加的圆锥形转矩产生气隙区域，其导致了更高的转矩量。此处，较大的转矩产生区域抵消了 略微减小的转矩产生半径以及略微减小的线圈空间，且仍有盈余。如在之前所公开的实施 例中的每一个，转子802和/或定子806可以由具有高饱和磁通密度、磁导率以及低的由于磁 滞现象的能量损耗和由于涡流电流的能量损耗的软磁材料10制成。包括具有适合的磁属性 的、每一个由薄绝缘边界围绕的致密堆积微畴的软磁材料10的微结构可以产生所希望的电 磁属性，这种电磁属性有助于三维磁通路径的使用，这与利用一维磁通路径、例如在平面中 的路径的传统电动机不同。类似地，进一步公开的实施例可以利用这种材料。在替代实施例 中，任何公开的实施例的方面可以组合在任何适合的组合中。
[0092] 仍然参照图14A和图14B，磁体807、809示出在转子极812处，该转子极具有两个径 向外圆柱形表面，后者与每个相应的转子部分803、805的两个锥形表面邻接，并且终结于两 个更小直径的圆柱形表面。磁体807、809示出为在这个形状中为整体的但是可代替地由区 段制成从而形成形状。定子极808具有与磁体803、805之上的相对表面相对应的相类似形状 的表面。极的形状与磁体形状的组合将转子802和定子806之间的磁通以三维导向到单一平 面之外的方向上。线圈810示出为围绕着个体定子极808而缠绕的个体绕组。在代替的方面， 线圈810可以包括分布的绕组。
[0093] 现在参照图15A和图15B，不出了具有分开的凹形转子902和分开的定子906的电动 机900。分开的凹形转子902具有第一转子部分903和第二转子部分905,并且分开的定子906 具有第一定子部分907和第二定子部分909。与图13中示出的分开的定子706不同的是，第一 定子部分907和第二定子部分909的每一个具有其自己的线圈910、911，由此第一定子部分 907和第二定子部分909中的每一个可以在定子906和转子902装配之前被缠绕。此处，分开 的凹形转子902允许分开的定子906预装配并且绕组好，其中第一转子部分903和第二转子 部分905可以在例如绕组后关于定子906进行装配。定子906是分开的由此电动机900允许沿 着径向、轴向和圆周方向的磁通流。由于电动机900具有延伸的转子极912和定子极908,较 之于传统的电动机而言，具有附加的圆锥形转矩产生气隙区域，其导致了更高的转矩量。较 大的转矩产生区域抵消了略微较小的转矩产生半径边际和略微较小的线圈空间，且仍有盈 余。如在之前所公开的实施例中的每一个，转子902和/或定子906可以由具有高饱和磁通密 度、磁导率以及低的由于磁滞现象的能量损耗和由于涡流电流的能量损耗的软磁材料10制 成。包括具有适合的磁属性的、每一个由薄绝缘边界围绕的致密堆积微畴的软磁材料10的 微结构可以产生所希望的电磁属性，这种电磁属性有助于三维磁通路径的使用，这与利用 的一维磁通路径、例如在平面中的路径的传统电动机不同。类似地，进一步公开的实施例可 以利用这种材料。在替代实施例中，任何公开的实施例的方面可以组合在任何适合的组合 中。
[0094]同样如在图15A和图15B中所示出的，磁体930、932示出在转子极912处，该转子极 具有两个径向外圆柱形表面，后者与每个相应的转子部分903、905的两个锥形表面邻接，并 且终结于两个更小直径的圆柱形表面。磁体930、932示出为在这个形状中为整体的但是可 代替地由区段制成从而形成形状。定子极908类似地为具有与磁体930、932上的相对表面相 对应的表面的成形的极。极的形状与磁体形状的组合将转子902和定子906之间的磁通以三 维导向到单一平面之外的方向上。线圈910示出为围绕着个体定子极908而缠绕的个体绕 组。在代替的方面，线圈910可以包括分布的绕组。
[0095] 现在参照图16A和图16B，示出了具有与分开的定子1006轴向装配的分开的凸形转 子1002的电动机1000。分开的凸形转子1002包括第一转子部分1003和第二转子部分1005。 在可代替的方面，转子1002可以不分开而是代之以包括整体的工件。分开的定子1006包括 第一定子部分1007和第二定子部分1009,定子的每个部分包括其各自的线圈组1010、1011。 每个定子部分1007、1009可以在装配之前被缠绕。定子1006是分开的由此电动机1000允许 沿着径向、轴向和圆周方向的磁通流。由于电动机1 〇〇〇具有延伸的转子极1012和定子极 1008,较之于传统的电动机而言，具有附加的圆锥形转矩产生气隙区域，其导致了更高的转 矩量。较大的转矩产生区域抵消了略微较小的转矩产生半径和略微较小的线圈空间，且仍 有盈余。如在之前所公开的实施例中的每一个，转子1002和/或定子1006可以由具有高饱和 磁通密度、磁导率以及低的由于磁滞现象的能量损耗和由于涡流电流的能量损耗的软磁材 料10制成。包括具有适合的磁属性的、每一个由薄绝缘边界围绕的致密堆积微畴的软磁材 料10的微结构可以产生所希望的电磁属性，这种电磁属性有助于将三维磁通路径的使用， 这与利用一维磁通路径、例如在平面中的路径的传统电动机不同。类似地，进一步公开的实 施例可以利用这种材料。在替代实施例中，任何公开的实施例的方面可以组合在任何适合 的组合中。
[0096] 仍然参照图16A和图16B，磁体1030、1032示出在转子极1012处，该转子极具有两个 径向外圆柱形表面，后者与每个相应的转子部分1003、1005的两个锥形表面邻接，并且终结 于两个更小直径的圆柱形表面。磁体1030、1032示出为在这个形状中为整体的但是可代替 地由区段制成从而形成形状。定子极1008类似地为具有与磁体1030、1032上的相对表面相 对应的表面的成形的极。极的形状与磁体形状的组合将转子1002和定子1006之间的磁通以 三维导向到单一平面之外的方向上。线圈1010、1011示出为围绕着个体定子极1008而缠绕 的个体绕组。在代替的方面，线圈1010、1011可以包括分布的绕组。
[0097] 现在参照图17A到图17C，示出了定子横截面的示意性图。图17A示出了电动机线圈 110、定子极108以及定子壁140的横截面。定子横截面面积由高度142和宽度144指代，其中 线圈110可以具有宽度150以及极轴向高度152。定子极108可以由适合用于电动机定子的层 叠的钢制成。正如将要针对由高度142乘以宽度144限定的给定的面积所描述的，通过利用 这里所描述的允许在定子内的三维磁通流的软磁材料(例如，在图17B和图17C中），横截面 可以得到更加有效的利用。例如，在图17B中，示出了线圈1110、定子极1108、以及定子壁 1140,其中可以提供减少的宽度1176和轴向增长的长度1178的定子壁1140来增加线圈1108 的横截面面积以及长度1180。同样示出了极轴向高度1190。通过进一步的示例，在图17C中， 示出了线圈1210、定子极1208以及定子壁1240,如图17B，可以提供更薄并且轴向更长的定 子壁1240从而增加定子极横截面积但是同样其中线圈1210更宽然而更薄从而保持与图17A 中的线圈相同的面积。此处，极轴向高度1290可以大于图17B中的极轴向高度1190。
[0098] 现在参照图18A到图18C，具有凸形转子1302和分开的定子1306的电动机1300的另 一个示例性实施例的截面。定子1306的每一半具有其自身的一套绕组。虽然示出了单一的 转子1302和定子1306,在代替的方面中，多个转子和/或定子可以堆叠。所示出的实施例包 括三角形横截面并且可以配置为具有单一的三角形横截面或者多个横截面，例如，凹形或 者凸形横截面。进一步，在可代替的方面，电动机1300可以提供有凹形转子或者任何适合的 形状。定子1307、1309的每个部分可以在装配之前被缠绕。定子部分1307、1309具有围绕着 锥形极1308而缠绕的成角度的绕组1310。通过定子壁1340将磁通从极到极进行导向，其中 定子壁1340在定子1306的上角和下角具有三角形截面。图18A的侧截面示出了具有朝向转 子1302而轴向增加的横截面的锥形的定子极1308。图18B的顶截面示出了具有朝向转子而 轴向降低的横截面的锥形的定子极1306。此处，通过锥形的组合，定子极1306的横截面面积 可以得到保持。定子1306的分开的配置允许了定子1306预装配并且缠绕，其中两个定子部 分1307和1309可以例如在绕组之后围绕转子1302进行装配。定子1306示出为分开的，其中 电动机1300允许沿着径向、轴向和圆周方向的磁通流。由于电动机1300具有延伸的定子极 和转子极，如之前在其他示例实施例中所描述的，较之于传统的电动机而言，具有附加的圆 锥形转矩产生气隙区域，其导致了更高的转矩量。较大转矩产生区域抵消了略微减少的转 矩产生半径并且略微减少的线圈空间，且仍有盈余。如所公开的实施例中的每一个，转子 1302和/或定子1306可以由具有高饱和磁通密度、磁导率以及低的由于磁滞现象的能量损 耗和由于涡流电流的能量损耗的软磁材料10制成。包括具有适合的磁属性的、每一个由薄 绝缘边界围绕的致密堆积微畴的软磁材料10的微结构可以产生所希望的电磁属性，这种电 磁属性有助于将三维磁通路径的使，这与利用一维磁通路径、例如在平面中的路径的传统 电动机不同。类似地，进一步公开的实施例可以利用这种材料。在替代实施例中，任何公开 的实施例的方面可以组合在任何适合的组合中。
[0099] 现在参照图18A到图18C，磁体1340、1342示出在转子极1312处，该转子极具有两个 径向外圆柱形表面，后者与与每个相应的转子部分1307、1309的两个锥形表面邻接，并且终 结于两个更小直径的圆柱形表面。磁体1340、1342示出为在这个形状中为整体的但是可代 替地由区段制成从而形成形状。定子极1308类似地为具有与磁体1340、1342上的相对表面 相对应的表面的成形的极。极的形状与磁体形状的组合将转子1302和定子1306之间的磁通 以三维导向到单一平面之外的方向上。线圈1310示出为围绕着个体定子极1308而缠绕的个 体绕组。在代替的方面，线圈1310可以包括分布的绕组。
[0100] 现在参照图19，示出了具有凸形转子1402和定子1406的电动机1400的区段。虽然 示出了单一的转子1402和单一的定子1406,在代替的方面中，多个转子和/或定子可以堆 叠。定子部分1406具有围绕着锥形极1408而缠绕的成角度的绕组1410。通过定子壁1440将 磁通从极导向到极，其中定子壁1440在定子1306的上角具有三角形截面的。在所示出的实 施例中，三角形截面在极1408的终结处具有更宽的宽度从而允许用于绕组1410的附加的绕 组面积。类似地，与转子1402的磁体相面向的极1408可以如所示出地延伸或者以其他方式 增加用于绕组1410的附加的绕组面积。在替代实施例中，任何公开的实施例的方面可以组 合在任何适合的组合中。
[0101] 现在参照图20和图21，其中分别示出了定子1506和转子1502的等轴截面图。在示 出的示例性实施例中，向内成角度的定子齿1550位于与向外成角度的磁体1540的定向相垂 直的角度上。这种布置利用了可获得的空间并且增加了用于磁通流的横截面面积。齿1550 具有上部分1552和下部分1554,其与线圈1510交叠由此磁通跨越每个定子齿1550的整个横 截面流动。类似地，部分与定子环1556的线圈1510交叠从而磁通从定子1506的齿到齿跨定 子环1556的整个横截面流动。虽然针对每个极示出了个体绕组，但可代替地可以提供分布 绕组。
[0102] 现在参照图22和图23,示出了装配的转子1602和定子1606的布置。在一个示例性 的方面，可以提供单一的定子1606和转子1602。如在图22中可见，定子1606可以包括第一定 子部分1607和第二定子部分1609,并且转子1602可以包括第一转子部分1603和第二转子部 分1605。定子1606和转子1602可以装配为使得第一定子部分和第二定子部分形成在三角形 横截面的狭窄部分处径向相配合的两个三角形横截面。如在图23中可见，第一定子部分 1607和第二定子部分1609以及第一转子部分1603和第二转子部分1605可以交替地装配为 使得定子部分形成在三角形横截面的宽阔部分处径向相配合的两个三角形的横截面。在代 替的方面，可以提供任何适合的组合。定子齿为凸形并且转子齿为凹形。
[0103] 图20到图23的示例性实施例可以不允许齿横截面面积和线圈横截面面积的独立 尺寸设计。结果是，较大的齿横截面以较小的线圈横截面为代价并且反之亦然。如下面所描 述的，图24到图29的实施例提供了独立改变齿横截面的选项从而获得最佳的设计。然而，这 个灵活性的代价是更小的磁体区域。然而，如在图20中所示出的实施例为如图27中所示出 的实施例的特定示例，例如，当图27中的a = 0时。例如，设置a = 0并且b = c产生图20到图23 的实施例。
[0104] 现在参照图24和图25,分别示出了转子1702和定子1706的等轴截面图。同样参照 图26,转子1702和定子1706示出为装配的。如图26中示出的，可以提供单一的定子1706和单 一的转子1702。如图28所示出的，定子1706可以包括第一定子部分1707和第二定子部分 1709,其二者可以与包括第一转子部分1703和第二转子部分1705的转子1702相装配从而形 成在横截面的宽阔部分处径向相配合的两个横截面。
[0105] 如图29示出的，定子1806可以包括第一定子部分1807和第二定子部分1809,其二 者可以与包括第一转子部分1803和第二转子部分1805的转子1802相装配从而形成在横截 面的宽阔部分径向相配合的两个横截面。
[0106] 再次参照图27,其中示出了显示了可变参数的定子极横截面。在示出的实施例中， 定子齿1550具有位于与磁体的定向相垂直的各个角度处的面1562、面1564以及面1566。这 种布置利用了可获得的空间，并且增加了用于磁通流的横截面面积。齿1550具有与线圈 1510相交叠的上部分1552和下部分1554从而磁通跨越定子齿1550的整个横截面流动。虽然 对于每个极示出了个体的绕组，可代替地可以提供分布的绕组。定子齿1550具有横截面变 化的截面1570从而由测量参数a、b、c和d指代的线圈1510可以得到优化。在可代替的方面 中，可以提供任何适合的组合。
[0107] 现在参照图30和图31，分别示出了定子1906和转子1902的等轴截面图。所描述的 示例性实施例包括无槽定子设计，其中定子1906具有软磁芯1912以及密封的绕组1914。软 磁芯1912直接限定在定子1906的表面上（由此避免了使用槽隙）并且可以包括软磁材料10， 如上面所描述的。如所示出的，转子1902可以为两件式转子，如图31和图32图示的（包括第 一转子部分1903和第二转子部分1905)。可代替地，电动机可以利用转子1902和定子1906的 仅半个制成。
[0108] 现在参照图33,无槽电动机的另一个示例性实施例大体上示出在2000处。无槽电 动机2000包括可旋转地安装到无槽定子2006的转子2002。转子2002包括第一转子部分2003 和第二转子部分2005,两个部分为对称的。无槽定子2006包括形成具有恒定横截面的连续 部分的壁2007和背部分2009。磁体2014安装在转子2002和无槽定子2006之间。以线圈2010 的形式的绕组为自支撑的并且均匀分布在围绕着无槽定子2006的面向内部的表面之上且 具有水平V-形的横截面。电动机2000进一步参照底下的示例3进行描述。
[0109] 现在参照图34到图40,可以并入在这里所描述的软磁材料的无槽无刷永磁电动机 大体上示出在2100处。电动机2100为混合电动机。如可以在图34和图37中看见的，气隙横截 面2110为V-形的并且可以包括间隔物2112。
[0110] 如在图35A到图35E中所示出的，电动机2100的定子配件大体上示出在2120处。正 如可以在图35C中看见的，定子配件2120具有在其背壁2135(背壁2135跟随着线圈的轮廓） 处的切口 2130从而实现冷却线或类似。切口 2130可以具有任何适合的形状并且可以提供用 来降低材料消耗。切口 2130还可以成形用于在定子的一个或多个部分中的均匀的磁通分 布，例如，在绕组之间或极之间或类似的之间。如图35E所示出的，定子配件2120的芯2140由 具有各向同性的磁属性的材料制成。图35A、图35B以及图35C示出了具有交叠在定子芯2140 之上的绕组线圈2150的定子横截面。如图40所示出的，绕组线圈2150可以利用密封的材料 2165耦合到芯2140。密封材料2165的外表面2166可以提供用于绕组引线以及热耦合引线。 总的来说，电动机2100具有由定子的直径Dl (到外表面2166的直径D2)来限定的直径和高度 H0
[0111] 图35D示出了个体的绕组线圈2150。三个绕组线圈，每个相一个，可以具有嵌入在 其中的热耦合。在一个示例性实施例中，定子配件2120为具有4个悬空引线的Y形缠绕的（3 个线引线和1个中间搭头）。由于定子配件2120可以为轴向钳制的，悬空引线将在外直径处 通过外表面2166而离开定子环。定子芯2140和绕组线圈2150可以利用密封材料2165进行密 封从而提供一个集成的"定子环"。
[0112] 个体的绕组线圈2150示出在图35D以及图38中。绕组线圈2150每一个具有沿着线 圈长度而改变的矩形横截面。线圈横截面宽度随着半径增加并且其厚度降低因此横截面的 面积沿着其长度保持为大约恒定。图38描述了这个概念。接线可以是25AWG，具有稳定至120 °C或类别H的绝缘层。线圈为在外侧上具有开始和终结的阿尔法缠绕(alpha-wound)。根据 线圈的变化的横截面，接线栅格沿着线圈的长度从8X6栅格到10X5栅格变化从而对空间 进行最优的利用。绕组厚度随着增加的半径而降低。气隙间隙由此相应地降低。注意到这是 建议的栅格模式。可以采用更为有效的满足绕组的空间限制的代替的栅格模式。
[0113] 现在参照图34和图36,电动机2100的转子配件大体上示出在2115处。为了有助于 装配，转子配件2115包括两个基本上相同的半件(halves)，其中的一个示出在图36C中，并 且每个在不同的方向上被磁化(或者在个体的极中具有连续变化的磁化方向）。转子配件 2115还可以由单一环制成，在这种情况下，磁化将在两个正交方向（圆周地并且沿着极长度 地)上连续改变。转子半件可以由诸如1018钢的低碳钢制成。为了防止腐蚀，转子半件可以 涂敷有粉末。
[0114] 转子配件2115具有多个转子极，每个包括两个磁体件2160。图36E示出了转子半件 中的一个以及附着到其的磁体2160的一个。在每个转子半件中约有30个磁体2160，每个都 在径向方向上被磁化。相邻的磁体在直径地相对的方向上被磁化。转子磁体2160可以由具 有接近1.3的剩磁磁通密度的钕制成。可以使用具有类似于N42UH或N42SH或等同物的属性 的磁体。磁体形状可以从预先磁化的块切割并且通过研磨而完工。图36D和图39示出了两个 包括在一个转子半件中的极的磁体件。每个件可以如所示出地进行磁化从而磁化为平行的 而非径向的。在研磨之后，磁体2160可以被涂覆从而防止腐蚀。
[0115] 作为对于混合电动机2100的替代，可以采用径向磁通电动机。这种电动机可以利 用具有无槽绕组的3-相无刷DC电动机。在这种电动机中，定子可以用层叠的硅钢制成。
[0116] 在一个实施例中，软磁材料包括多个含铁微粒以及在含铁微粒上的绝缘层。绝缘 层包括氧化物。软磁材料为由绝缘边界分离的可渗透微畴的聚集。绝缘层的氧化物可以包 括氧化铝。含铁微粒可以具有体心立方结构。含铁微粒可以包括硅。含铁微粒可以包括铝、 钴、镍以及硅中的至少一个。
[0117] 在另一个实施例中，一种软磁材料包括多个含铁微粒，每个含铁微粒具有放置在 含铁微粒上的氧化铝层。具有氧化铝层的含铁微粒的布置形成了体心立方晶格微结构，其 限定了具有高磁导率和低矫顽力的微畴的聚集，微畴由绝缘边界分离开。含铁微粒可以包 括约为89wt. %的铁，约为IOwt. %的错，以及约为0.25wt. %的碳。含铁微粒可以包括娃。含 铁微粒可以包括铝、钴、镍以及硅中的至少一个。含铁微粒可以由含铁的均匀合成物的芯来 限定并且氧化铝层可以包括基本上纯的氧化铝。软磁材料可以由具有铁-铝合金的均匀合 成物的芯的微粒来限定，并且氧化铝层可以由这样的浓度梯度来限定，即在芯的表面处基 本上为零的氧化铝到氧化铝层的外表面处基本上纯的氧化铝。体心立方晶格微结构可以在 XZ平面、YZ平面和XY平面中基本上为各向同性。
[0118] 在制造软磁材料的一个实施例中，一种方法，包括提供铁-铝合金微粒;加热铁-铝 合金微粒到低于铁-铝合金微粒的熔点但又足够高从而使得铁-铝合金微粒软化的温度;将 铁-铝合金微粒进行热喷涂;使得铁-铝合金微粒氧化;将铁-铝合金微粒沉积在基底上;接 着在基底上并且在沉积在基底上的铁-铝合金微粒的相续层上建立铁-铝合金微粒的体块 量(bulk quantity);并且对铁-错合金微粒的体块量进行热处理。铁-错合金微粒可以包括 具有约为89wt. %的铁，约为IOwt. %的铝，以及约为0.25wt. %的碳的构成的合金。加热铁 铝合金微粒可以包括加热到小于约1450 °C。将铁铝合金微粒进行热喷涂可以包括将铁铝合 金微粒气体雾化在载气中。将铁铝合金微粒进行热喷涂可以包括利用高速空气燃料系统， 其中载气在约900°C到约1200°C工作从而将铁铝合金微粒进行气体雾化。将铁铝合金微粒 进行热喷涂可以包括利用在约1400 °C到约1600 °C工作的高速氧燃料系统，从而将铁铝合金 微粒沉积为薄涂层。将铁铝合金微粒进行热喷涂可以包括利用低能量等离子喷涂。导致铁 铝合金微粒氧化可以包括在铁铝合金微粒的外表面上形成氧化铝。
[0119] 在一个实施例中，电动机包括:包含有至少一个芯的定子;缠绕在定子的至少一个 芯之上的线圈；具有转子极并且相对于定子可旋转地安装的转子；以及放置在转子和定子 之间的至少一个磁体。至少一个芯包括由含铁微粒限定的合成材料，含铁微粒具有设置在 其上的氧化铝层。转子极和定子连同至少一个磁体可以将转子和定子之间的磁通以三维导 向在单一平面之外的方向上。定子可以配置为接近限定与至少一个磁体的横截面形状相对 应的表面的横截面形状。圆锥形气隙可以位于定子和至少一个磁体之间，其中圆锥形气隙 允许沿着电动机的径向、轴向以及圆周方向的磁通流。转子极可以在定子的方向上延伸从 而在定子和至少一个磁体之间产生圆锥形气隙。线圈可以在径向方向上锥形渐变。至少一 个芯形成在定子的表面之上从而形成无槽定子。转子可以包括第一转子部分和第二转子部 分。定子可以包括至少一个第一定子部分和第二定子部分。
[0120] 在另一个实施例中，一种电动机，包括无槽定子，无槽定子包括至少一个由软磁合 成材料形成的芯以及设置在至少一个芯上的线圈；相对于无槽定子可旋转地安装的转子； 以及安装在转子上的在转子和无槽定子之间的至少一个磁体。软磁合成材料可以包括微 粒，微粒至少包含有铁和具有包含氧化铝的绝缘外表面。至少包含有铁的微粒可以包括铁 铝合金。电动机可以包括在无槽定子和至少一个磁体之间的气隙，气隙的横截面形状为圆 锥形的。无槽定子可以包括形成连续表面的壁，在该壁上形成至少一个芯。软磁材料可以包 括约89wt. %的铁，约IOwt. %的错，和约0.25wt. %的碳。软磁材料可以进一步包括娃。
[0121 ] 在另一个实施例中，一种无槽磁通电动机，包括由连续表面所限定的定子，在该连 续表面处设置了至少一个芯，以及设置在至少一个芯上的绕组;具有转子极并且可旋转地 安装在定子中的转子；以及至少一个安装在定子和转子极之间的磁体。在定子和至少一个 磁体之间限定圆锥形气隙，其中圆锥形气隙允许沿着电动机的径向、轴向和圆周方向的磁 通流。至少一个芯包括由封装在氧化铝中的含铁微粒限定的软磁合成材料。含铁微粒可以 包括铁铝合金，后者可以包括约为89wt. %的铁，约为IOwt. %的铝，以及约为0.25wt. %的 碳。含铁微粒可以进一步包括硅。软磁合成材料的含铁微粒可以包括铁钴合金、铁镍合金以 及铁硅合金中的一个或多个。至少一个芯可以为自支撑在定子的面向内部的表面上且具有 水平V-形的横截面。
[0122] 合成物的一个实施例包括多个含铁微粒和在含铁微粒上的绝缘层。含铁微粒限定 了由绝缘边界分离的可渗透的微畴的聚集。绝缘层可以包括氧化物。氧化物可以是氧化铝。 含铁微粒可以具有体心立方结构。体心立方结构可以基本上在三维中为各向同性的。含铁 微粒可以包括铝、钴、镍以及硅中的至少一个。可渗透的微畴的聚集可以具有高磁导率和低 矫顽力。含铁微粒可以包括约为89wt. %的铁，约为IOwt. %的错，以及约为0.25wt. %的碳。 绝缘层可以由具有浓度梯度的氧化物层来限定。含铁微粒和绝缘层可以限定软磁材料。
[0123] 方法的一个实施例包括加热铁-铝合金微粒;将铁-铝微粒进行热喷涂;使得铁-铝 微粒氧化;将氧化的铁-铝微粒沉积在基底上。铁-铝合金微粒可以包括约为89wt. %的铁， 约为IOwt. %的错，以及约为0.25wt. %的碳。加热铁错合金微粒可以包括加热到小于约 1450Γ。将铁铝合金微粒进行热喷涂可以包括利用高速空气燃料系统、高速氧燃料系统或 者低能量等离子喷涂进行喷涂。使得铁-铝微粒氧化可以包括在铁铝合金微粒的外表面上 形成氧化铝。将氧化的铁-铝微粒沉积在基底上可以包括形成软磁材料。
[0124] 装置的一个实施例包括具有至少一个芯的定子;在至少一个芯之上的线圈；可旋 转地安装在定子内的转子；以及至少一个安装在定子和转子之间的磁体。至少一个芯包括 由具有氧化物层设置在其上的含铁微粒限定的合成物。定子可以无槽。磁通可以在三维中 在转子和定子之间被导向。装置可以进一步包括由转子的面向外部的表面限定的转子极以 及由定子的面向内部的表面限定的定子极，其中至少一个磁体安装在转子的面向外部的表 面之上。至少一个磁体的横截面形状可以限定对应于定子的面向内部的表面的横截面形状 的表面。至少一个磁体和转子的面向内部的表面可以限定转子和定子之间的圆锥形气隙。 圆锥形气隙可以允许沿着装置的径向、轴向和圆周方向的磁通流。由含铁微粒限定的合成 物可以具有包括软磁材料的氧化物层。含铁微粒可以包括具有约89wt. %的铁，约IOwt. % 的铝，和约〇.25wt. %的碳的合金。氧化物层可以是氧化铝。合成物可以进一步包括硅。合成 物可以包括氧化物层中的浓度梯度。
[0125] 参照图41至图45,在以下示例中描述了软磁材料10的制造的各个示例方面。
[0126] 示例 1
[0127] 在这里所描述的沉积过程20中，由于其较高的沉积效率，HVAF系统被选择来产生 用于表征绝缘边界和电磁属性的材料样本。两个不同的HVAF设置被选择用于评估材料属 性。第一设置对应于在化学计量比率处的燃料空气混合物。第二设置对应于得到较低载气 温度的精简（leaner)混合。第二设置产生具有完全熔化微粒的较低百分比的微结构。通过 两种设置产生的样本的子集还经过热处理过程，其中样本在还原环境下被加热到并且保持 在1050Γ的温度(高于共晶温度50°C)达到四个小时，并且接着缓慢地冷却到室温从而分别 产生样本IA和2A，如（以下)表格1所示出的。样本以薄的矩形样本以及直径约2英寸且厚度 约0.25英寸的环的形式产生。薄的矩形用来在电子显微镜之下以及在X-射线衍射系统中研 究微结构。环用来按照ASTM A773标准对磁属性进行表征。
[0128]薄矩形样本的横截面被抛光、蚀刻并且在电子显微镜以及能量色散光谱仪(EDS) 之下进行观察从而产生跨横截面的元素分布图。图41示出了样本2A(电子像1)的横截面以 及与元素铁、铝以及氧相对应的元素分布图。氧原子最初集中在微粒边界处，并且铁原子在 微粒边界处不存在。在边界处的铝原子的浓度大于在微粒内部的浓度，指示着微粒边界由 氧化铝组成，其为卓越的电气绝缘体，并且微粒内部由铁-铝合金组成，其为希望的软磁材 料。为了支持上面的发现，图42示出了材料的X-射线衍射光谱，证实了氧化铝伴随铁-铝合 金的存在。
[0129]由此，由氧化铝组成的绝缘层可以在高温下稳定（与由氧化铁制成的绝缘层不 同）。从电子显微镜图像看，绝缘边界的厚度被估计为在IOOnm到约500nm的范围里。
[0130]还按照ASTM A773标准对图41示出的环形样本进行磁属性的测量。以下属性在样 本1、样本IA和样本2A上进行测量:高达40kA/m的磁化场的磁化曲线(B-H曲线）、在40kA/m的 磁通密度Bsat@4〇k A/m、矫顽力HC、在IT的磁通密度的磁化场H1T、在零磁通密度的相对磁导率m r、 DC能量损耗（由于磁滞现象）、以及在磁通密度的60Hz和400Hz振荡下的AC功率损耗。表格1 示出了样本的结果。
[0133] 表格1:与相-1样本(示出为Pl)相比较的环形样本1、2、1A、以及2A的测量的磁属 性。
[0134] 为了将如这里所公开的软磁材料使用在电动机中，饱和磁通密度和相对磁导率应 当被最大化，并且所需要的磁化场、矫顽力、DC能量损耗以及AC功率损耗应当被最小化。表 格1中的结果示出了样本IA具有最高的饱和磁通密度、初始磁导率、以及最低的DC能量损 耗，而样本2A具有最低的AC功率损耗。退火的样本较之其未退火的对等物具有较高的磁导 率和饱和磁通密度和较低的矫顽力。退火降低了内部的应力以及位错密度，并且增加了颗 粒尺寸，由此降低了磁畴边界的移动的阻力。由于样本1和样本IA较之样本2和样本2A对应 于更高的燃烧温度，其具有与较低多孔性相耦合的更高的完全熔化微粒的百分比。结果是， 样本IA较之样本2A而言具有更高的磁导率和更低的矫顽力。另一方面，由于其较低的完全 熔化微粒百分比，样本2A具有较低的涡流电流和相对应的较低AC功率损耗。
[0135] 由于绝缘层由氧化铝组成，其在高温处稳定，热处理在改善饱和磁通密度和磁导 率以及降低矫顽力非常有效，而不会减损绝缘层和涡流电流损耗。关于样本IA和样本2A，较 之在表格1中指代为Pl的样本而言，这些样本具有更为希望的磁属性。
[0136] 通过改变过程参数以及微粒化学性质和尺寸可以获得磁属性中的进一步的改善。 例如，可能存在最佳的过程参数集合其将导致位于样本1和样本2的燃烧温度之间的燃烧温 度，这导致较低的完全熔化微粒百分比并且同时保持在可以忽略的水平处的多孔性。此外， 使用具有较大尺寸威力的粉末将导致较低的磁滞损耗，因为这将有助于磁畴边界的自由移 动。将合金中的碳含量降低到低于0.05%也将导致对于较低磁滞损耗做出贡献的碳化物杂 质的显著降低。同样，有可能在铁-铝合金中存在铝的最佳的较低百分比，其将导致饱和磁 通密度的增加而同时不会减损内部微粒绝缘的完整性。
[0137] 示例2
[0138] 之前所考虑的微粒尺寸和形状处于尺寸为15微米-45微米的范围内并且形状为球 形。磁性材料由磁性微畴的聚集组成，磁性微畴在施加的磁场方向上生长。当材料由微粒聚 集组成时，绝缘层的存在可能限制磁畴边界到微粒边界的移动，由此限制了有效磁导率和 饱和磁通密度。此外，对于材料属性的模拟可能显示出微粒尺度与边界尺度的理想配给为 1000 :1。由于之前所获得的绝缘层具有0.1微米-0.5微米的厚度，其通常希望微粒尺寸在 100微米-200微米的范围中。
[0139] 在利用HVAF和HVOF的热喷涂过程中，微粒尺寸典型地处于15微米-45微米的范围 中，由于这个尺寸允许微粒获取足够的速度和温度来形成致密的固体沉积。为了喷涂更大 尺寸的微粒，需要特定的过程修改从而增加到微粒的能量和焓输入。
[0140]为了确定喷涂更大尺寸微粒的可行性，对热喷涂粉末（Metc〇-450NS，从瑞士 Oerlikon Metco可以获得)进行了实验，其为45微米-90微米的较大尺寸范围的95%镍和 5%铝的合金。通过选择燃烧室来控制对微粒的热能量输入并且通过选择渐缩放喷嘴的正 确出口直径来控制机械能量输入。在一些试验之后，获得了沉积微粒的致密堆积的层。图43 示出了所得到材料的微结构。在底部的材料层利用较小的燃烧室来喷涂并且在顶部的层利 用较大的燃烧室来喷涂。出射微粒的速度通过选择渐缩放喷嘴的合适的尺寸来控制。
[0141]虽然添加了碳来辅助雾化过程，碳并不形成与铁的固溶体而是形成阻挡了磁畴边 界的移动的碳化物沉淀物，由此降低了磁导率和饱和磁通密度。因此，碳被硅(其改善了磁 导率)所取代从而实现雾化。在低于7.5%的浓度，硅与BCC晶格结构形成固溶体并且因此并 不形成沉淀物。此外，在低浓度处，硅并不抑制在低于1500°C的温度处氧化铝的形成，如在 图44A和图44B的相图所指示的，其中示出了显示BCC结构达到1400°C的铁-9 %铝-硅合金的 等值线（图44A(a))，显示对于形成氧化铝的偏好的铁-9%铝-1 %硅-氧的等值线（图44A (b))，显示BCC结构达到1000 tC的铁-10%铝-碳的等值线（图44B(a))，以及显示对于形成氧 化铝的偏好的铁-10%铝-氧的等值线（图44B(b))。在这种考虑之后，具有铁-9%铝-1%硅 的合金组分被选择用于喷涂形成测试。通过气体雾化过程成功地制造出具有上述浓度的粉 末，并且碳浓度降低到0.04%。硅的添加略微地(marginally)降低了合金的熔点。这在喷涂 具有较大尺寸的微粒时希望有益。
[0142] 铝做为合金元素的存在有助于形成绝缘层。然而，其还降低了材料的饱和磁通密 度。在重量10%处，合金的饱和磁通密度从纯铁降低了 20%。因此确定希望具有满足下面条 件的微粒化学组分：
[0143] (a)在表面处的充分的铝的浓度从而在表面处形成连续的氧化铝层并且同时在表 面之下具有较少或者没有铝从而确保高的饱和磁通密度；以及
[0144] (b)在表面处的铝应当以铁和铝的固溶体的形式存在而不是元素铝。这是由于元 素铝具有低于热喷涂的操作温度的熔点。此外，未氧化的元素铝将形成围绕着微粒畴的不 希望的电气传导边界。
[0145] 示例3
[0146] 为了获得无槽电动机2000的近似性能特性，利用计算机建模程序开发并且实施分 析模型。该模型被用来获得诸如定子和转子极的数目、绕组匝数以及近似的磁体和定子齿 尺度的所希望的电动机参数集合。基于模型，具有20个转子极的遵照表格2中的尺度的混合 场电动机，较之依照相同约束条件设计的传统电动机而言具有高出24%的电动机常数。
[0149] 表格2:电动机尺度规格
[0150] 然而，分析模型具有限制，因为其并不引起软磁材料的B-H曲线中的非线形以及磁 通饱和。出于相同的原因，分析模型不足以针对其他配置估计电动机常数值。为了获得更为 精确的解，利用有限元分析技术对其他配置的电动机进行分析。作为第一步，开发电动机的 精确几何模型，并且执行了电动机的有限元分析。
[0151] 在电动机设计过程中的优化标准包括(a)在静态和恒定速度条件下的电动机效率 的最大化以及(b)在恒定速度操作条件下转矩量的最大化。
[0152] 近净形(near-met shape)制造被用来形成电动机2000的部件。热过程被用来喷涂 用以测量按照ASTM A773标准的磁属性的环形部件。用来获得环形样本的策略被修改以获 得制造图33示出的无槽和无芯电动机所需要的定子几何形状。在其他电动机中的定子几何 形状利用了涉及使用掩模或模版(stencil)以及响应于材料沉积深度的测量值的模版的受 控移动的策略。这要求测量沉积材料厚度的测量系统以及与控制着喷涂系统的机器人相协 调的模版致动机制。作为主机控制器而操作的计算机执行测量系统、模版致动机制以及喷 涂系统之间的协调任务。
[0153]具有复杂形状的模版和掩模被采用在模具的制备中，后者通过3-D打印而获得。3-D打印的模具被用来制备定子的原型。这种作为原型的能力有助于特别地关于利用了热喷 涂技术的过程而对定子设计进行仔细检查。
[01 M] 现在参照图46A到图46C，其中示出了图32中示出的电动机的代替方面。在示出的 实施例中，电动机为与图32所示出的无槽电动机相对的有槽电动机。定子1906'可以具有类 似于定子1906的可适用的特征并且具有极或者齿，其中图46C以相对于电动机呈轴向的视 角示出了齿2202和绕组2204的截面视图。图46A以相对于定子相切并且穿过齿2202的中心 的视角示出了齿2202和绕组2204的截面视图。图46B以相对于定子相切并且偏离齿2202的 中心且穿过齿2202和绕组2204的视角示出了齿2202和绕组2204的截面视图。齿2202示出为 具有由芯部分2210连接的面2206以及环部分2208。此处，定子1906'构建为沿着磁通路径使 得绕组2204的横截面保持为基本相同和齿2202的横截面保持为基本上相同。面部分2206示 出为具有与转子1902的磁体部分对接的圆锥形表面和与绕组2204对接的相对表面。芯部分 2210从面部分2206延伸到环部分2208并且形成围绕其缠绕有绕组2204的接线的结构。此 处，芯部分2210可以具有不均匀的横截面，例如，如图46A和图46C中所示出的，从而沿着磁 通路径绕组2204的横截面保持基本相同和齿2202的横截面保持为基本上相同。环部分2208 可以如所示出地具有三角形横截面，并且可以提供毗邻结构和用于毗邻齿的磁通路径。虽 然定子1906'参照所示出的几何形状进行了描述，但可以提供任何适合的几何形状。定子 1906'或者如所描述的任何其他的定子可以具有如所示出的突出绕组或者可代替地具有分 布绕组。类似地，所描述的任何定子可以具有偏斜的极或者任何适合的几何形状的极。类似 地，所描述的任何定子可以利用任何适合的软磁材料来制备，例如所公开的软磁材料，或者 其他适合的材料，例如，烧结的、机器加工的、层叠的或任何适合的材料。
[0155]应当理解的是前面的描述仅仅是描述性的。本领域的技术人员可设计出各种替代 和修改。例如，记载在各个从属权利要求中的特征可以以任何适合的组合而彼此进行组合。 此外，来自上面所描述的不同实施例的特征可以选择性地合并成新的实施例。相应地，描述 意在于囊括所有的这种替代、修改和改变，其落入所附权利要求的范围之内。
【主权项】
1. 一种合成物，包括： 多个含铁微粒；以及 在所述含铁微粒上的绝缘层； 其中所述含铁微粒限定了由绝缘边界分离开的可渗透微畴的聚集。2. 根据权利要求1所述的合成物，其中所述绝缘层包括氧化物。3. 根据权利要求2所述的合成物，其中所述氧化物为氧化铝。4. 根据权利要求1所述的合成物，其中所述含铁微粒具有体心立方结构。5. 根据权利要求4所述的合成物，其中所述体心立方结构在三维中基本上为各向同性。6. 根据权利要求1所述的合成物，其中所述含铁微粒包括铝、钴、镍、和硅中的至少一 种。7. 根据权利要求1所述的合成物，其中所述可渗透微畴的聚集具有高磁导率和低矫顽 力。8. 根据权利要求1所述的合成物，其中所述含铁微粒包括约89wt. %的铁，约10wt. %的 铝和约0.25wt·%的碳。9. 根据权利要求1所述的合成物，其中所述绝缘层由具有浓度梯度的氧化物层来限定。10. 根据权利要求1所述的合成物，其中所述含铁微粒以及绝缘层限定了软磁材料。11. 一种方法，包括： 加热铁铝合金微粒； 热喷涂所述铁铝微粒； 使得所述铁铝微粒氧化;并且 将氧化的所述铁铝微粒沉积在基底上。12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述铁铝合金微粒包括约89wt. %的铁，约 10wt · %的铝和约0 · 25wt · %的碳。13. 根据权利要求11所述的方法，其中加热所述铁铝合金微粒包括加热到小于约1450 Γ。14. 根据权利要求11所述的方法，其中热喷涂所述铁铝合金微粒包括利用高速空气燃 料系统、高速氧燃料系统或者低能量等离子喷涂进行喷涂。15. 根据权利要求11所述的方法，其中使得所述铁铝微粒氧化包括在所述铁铝合金微 粒的外表面上形成氧化铝。16. 根据权利要求11所述的方法，其中将氧化的所述铁铝微粒沉积在基底之上包括形 成软磁材料。17. -种装置，包括： 具有至少一个芯的定子； 在所述至少一个芯上的线圈； 可旋转地安装在所述定子中的转子；以及 安装在所述定子和所述转子之间的至少一个磁体， 其中所述至少一个芯包括由含铁微粒限定的合成物，所述含铁微粒具有设置在其上的 氧化层。18. 根据权利要求17所述的装置，其中所述定子为无槽的。19. 根据权利要求17所述的装置，其中在三维中在所述转子和所述定子之间引导磁通。20. 根据权利要求17所述的装置，进一步包括由所述转子的面向外部的表面限定的转 子极和由所述定子的面向内部的表面限定的定子极，其中所述至少一个磁体安装在所述转 子的所述面向外部的表面上。21. 根据权利要求20所述的装置，其中所述至少一个磁体的横截面形状限定了对应于 所述定子的所述面向内部的表面的横截面形状的表面。22. 根据权利要求20所述的装置，其中所述至少一个磁体和所述转子的所述面向内部 的表面限定了在所述转子和所述定子之间的圆锥形气隙。23. 根据权利要求22所述的装置，其中所述圆锥形气隙允许沿着所述装置的径向、轴向 和圆周方向的磁通流。24. 根据权利要求17所述的装置，其中由具有氧化物层的含铁微粒所限定的合成物包 括软磁材料。25. 根据权利要求17所述的装置，其中所述含铁微粒包括具有约89wt. %的铁，约 10wt. %的错和约0.25wt. %的碳的合金。26. 根据权利要求17所述的装置，其中所述氧化物层是氧化铝。27. 根据权利要求17所述的装置，其中所述合成物进一步包括硅。28. 根据权利要求17所述的装置，其中所述合成物包括在氧化物层中的浓度梯度。
【文档编号】C23C8/10GK105829571SQ201480053873
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2014年9月30日
【发明人】S·萨, M·霍塞克, J·克里什纳萨梅
【申请人】柿子技术公司