专利名称：带有前铁的高效轴向气隙电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动旋转机器；特别涉及轴向气隙的电动旋转机器，所述机器包括转子组件和定子组件，所述定子组件包括前铁部分、后铁部分和多个定子齿部分。
背景技术：
电动机和发电机工业一直在寻找提供具有增加的效率和功率密度的电动旋转机器。如本文中使用的一样，术语“电机”指各种将电能转化为旋转运动或相反的电动机或发电机。这些机器包括那些可选作为电动机、发电机或再生电动机使用的装置。术语“再生电动机”在这里用作指代可作为电动机或作为发电机工作的装置。已知有多种电动机，包括永磁式、绕线磁极式、感应式、可变磁阻式、开关磁阻式以及有刷或无刷式电动机。它们可直接由电力线路、电池或其他替代电源提供的直流或交流电源激励。或者，它们也可由电子驱动线路合成的具有所需波形的电流供电。从任意机械源得到的旋转能可驱动发电机。发电机的输出可直接连接到负载上或使用电源电子电路调整。给定的机器可选连接在机械源上，所述机械源可在机器运转的不同时期用作源或机械能量消能器。因此，该机器可用作再生发动机，如通过使用可进行四象限工作的电源调整线路连接。
旋转机器一般包括通常称为定子的静止部件和通常称为转子的转动部件。转子和定子的相邻面被穿过了连接转子和定子的磁通的小气隙隔开。对于熟练的技术人员可以理解，旋转机器可包括多个机械连接起来的转子和多个定子。事实上，所有旋转机器均可按照惯例分为径向或轴向气隙类型。径向气隙类型中的转子和定子沿径向分隔开，贯穿的磁通量主要指向垂直于转子旋转轴的方向。在轴向气隙装置中，转子和定子沿轴向间隔开且磁通的贯穿方向主要平行于旋转轴。
除了某些专用类型，电动机和发电机通常使用一种或多种软磁材料。“软磁材料”是指很容易且高度地磁化和去磁的材料。每个磁化循环中磁性材料无法避免要损耗的能量称为磁滞损耗或铁耗。磁滞损耗的量值是激励振幅和频率两者的函数。
软磁材料还呈现出高的磁导率和低的磁矫顽力。电动机和发动机还包括由一个或多个永磁体或绕有载流绕组的附加软磁材料提供的磁动势源。“永磁材料”，也称为“硬磁材料”，是指具有高的磁矫顽力并强烈保持其磁性且抗去磁的磁性材料。根据电动机的类型的不同，永磁和软磁材料可安置在转子或定子上。
到目前为止，目前生产的大部分电动机采用各种类别的电气或电动机钢作为软磁材料，电气或电动机钢是铁和一种或多种合金元素特别包括Si、P、C和Al的合金。最常见地，Si是主要的合金元素。虽然一般认为由高级永磁材料构成转子且由高级低损耗软磁材料如非晶金属构成定子的电动机和发动机与其他常规径向气隙电动机和发动机相比有可能提供更高的效率和功率密度，但现在还没有成功制造这种轴向或径向气隙的机器。先前将非晶金属用于常规径向或轴向气隙机器的尝试在商业上基本都失败了。早先的设计主要包括将定子和/或转子用绕组或通常在内外表面间切割出齿的非晶金属叠片替换。非晶金属具有独特的磁性和机械性质，使得它很难或不可能直接替换常规设计的电动机中的普通钢。
现今工艺中的一些应用，包括各种不同领域如高速机床、航空发动机和致动器以及压缩机驱动器，需要可高速(即高转速rpm)运行的电动机，这些电机的速度许多情况下超过15,000-20,000rpm，一些情况下可达100,000rpm。高速电动机几乎总是制成低磁极数，以免电动机中工作在高频的磁性材料承受过高的铁耗，这将造成低效的电动机设计。这主要是由于现今大多数发动机中使用的软磁材料是硅-铁合金(Si-Fe)。众所周知，以高于约400Hz的频率改变常规基于Si-Fe的材料中的磁场引起的损耗会导致材料发热，时常到达无法使用任何容许的方法使装置冷却的程度。
目前为止，已证明很难有效地提供利用低损耗材料的容易生产的电气装置。先前在常规机器中采用低损耗材料的尝试基本都失败了，原因是早先的设计通常仅仅依赖于用新的软磁材料如非晶金属替换机器磁芯中的常规合金如硅-铁。得到的电机有时提供了增加的效率和较小的损耗，但它们的功率输出都有无法接受的降低，且与处理和形成非晶金属相关的成本显著提高。因而，它们还没有获得商业上的成功或市场的畅销。
然而，可工作在高频和高速下的电机中出现的另一个问题是转子的发热。转子相对定子转动时，转子磁体在每次转动过程中经受磁导系数的周期变化，这是因为转子磁体交替经过与定子铁芯的齿对齐的位置和位于定子齿间的间隙中心的位置。磁导的这种变化继而引起转子内磁通的变化，依照法拉第定律感应出漩涡电流。这些电流有时很大，足以使转子严重发热。发热继而可能导致不可逆的磁化损耗并降低装置的输出。极端情况下，发热甚至可以严重到降低转子磁体的寿命或毁坏转子磁体。
因而，技术中需要高效的电气装置，该装置完全利用与低损耗材料相关的特性，因而消除了与常规机器有关的弊端。理论上，改进的机器可提供机械能和电能形式间的较高效率的转换。提高由矿物燃料推动的发动机的效率可同时降低空气污染。机器可更小、更轻，且满足更为严格的转矩、功率和速度方面的要求。冷却要求可被降低。对于给定的充电周期，电池电源驱动的电动机工作的时间可更长。对于某些应用，轴向气隙机器因其大小和形状以及特殊的机械特征而更为适合。对于轴向和径向气隙装置都探索了类似的机器特性改善。
发明内容
本发明提供了电动电机，所述电动电机包括转子组件和定子组件，所述定子组件包括前铁部分、后铁部分和多个定子齿部分。该电气装置可具有从低至高的任意数量的磁极。定子优选包括通常为环形的结构，该环形结构使用由至少一种从由非晶和纳米晶金属以及优化铁基合金构成的集合中选出的低铁损材料构成的叠片层。然而，其他软磁材料也可以用于构造全部或部分定子组件。转子组件受支撑以围绕轴旋转，且包括多个磁极。该组件被排列和布置以便与定子组件发生磁性相互作用。低铁耗高级软磁材料的使用使得更宽范围的磁极数目和转换频率成为可能而同时保持了高工作效率、高功率密度以及更宽范围的可能工作速度，因而为设计提供了很大的灵活性，可依照本发明生产和运行的电机的实例包括电动机、发电机以及再生电动机，但不局限于这些。一个或多个电气装置可成为复合装置或系统中的部件。这种复合装置的一个实例是包括一个或多个电机的压缩机，其中一个或多个电动机可与风扇整合为一体。
本发明还包括构造电动机器的方法，包括(i)提供至少一个包括后铁部分和多个齿部分的定子组件，且定子组件在每相邻的一对所述齿部分之间带有槽和绕在槽中的定子绕组；(ii)提供前铁部分；以及(iii)提供至少一个受支撑以便围绕轴旋转且包括多个磁极的转子组件，且转子组件被排列和布置以便与至少一个定子组件发生磁性相互作用。
电动机器系统包括前述类型的电动机器以及连接和控制该机器的电源电子电路装置。该电源电子电路装置可操作地连接到该机器上。
参考以下本发明优选实施例的详细说明和附图，可更完全地理解本发明且其他优点将显现出来，其中各个视图中相似的参考编号表示相似的元件，其中图1显示了依照‘094申请的一个方面的定子结构的顶视图，该结构包括多个定子齿部分、定子绕组和后铁；图2为显示了本发明的定子结构的截面图，该结构使用了图1中示出的类型且还包括了前铁的定子结构，该截面图取自图1中显示的II-II。
图3为显示了依照本发明的轴向气隙电气装置的实施例的定子结构和转子的部分分解图，显示了转子磁体、前铁、定子绕组、定子铁芯和后铁，为清楚起见省略了定子架；图4为定子损耗在有负载(□)和无负载(◇)的条件下与依照本发明的电气装置的前铁厚度的关系的曲线；图5为性能与依照本发明的电气装置的前铁厚度的关系的曲线；图6为峰值定子铁芯磁通密度在有负载(△)和无负载(□)条件下与依照本发明的电气装置的前铁厚度的关系的曲线；图7是反-EMF(◇)和电感常数(□)与依照本发明的电气装置的前铁厚度的关系的曲线；图8是功率损耗(△)、转子涡流损耗(◇)和无用耗散损耗密度(□)与依照本发明的电气装置的前铁厚度的关系的曲线；图9是功率因子(◇)和效率(△)与依照本发明的电气装置的前铁厚度的关系的曲线；以及图10是扭矩变动(◇)与依照本发明的电气装置的前铁厚度的关系，以及扭矩波纹与依照本发明的电气装置的前铁厚度的关系在电流密度为10A/mm2(□)、20A/mm2(◇)以及30A/mm2(□)时的曲线。
具体实施例方式
以下将参照附图更详细地说明本发明的优选实施例。
根据本发明的一方面，提供了一种包括定子组件和带有前铁部分、后铁部分和多个定子齿部分的定子组件的电机。如本文所使用，术语“前铁”是指由软磁材料构成的结构，该结构靠近带有齿部分的定子的表面安置，对着后铁的位置且贴近转子。如以下将详细描述，前铁的存在加上低铁耗定子材料的使用对于现在的机器是优选的。在优选实施例中，机器为永磁无刷型，且定子和转子成轴向气隙型的构造。
本发明可包括一个或多个转子组件和一个或多个定子组件。因而，这里参照电机使用的术语“一个定子”和“一个转子”意为范围从1个至多达3个或更多的多个转子和定子。在轴向气隙机器的结构中，单个转子位于两个相对的定子间的构造有利地降低了转子上的轴向推力，这是因为各个转子施加在定子上的引力被沿着相反的方向引导向且大致抵消。
装置总体结构一般转让的美国临时申请No.60/444,271的(“‘271申请”)和美国专利申请No.10/769,094的(“‘094申请”)提供了一种具有布置成轴向气隙结构但缺少前铁的转子组件和定子的电气装置，这两个申请均通过引用整体结合在本文中。定子包括后铁部分和多个定子齿部分，优选使用低损耗、高频材料制成。图1示出了根据‘094申请的一个方面的定子组件10的顶视图，显示了包括了从后铁16上悬挂下来的定子齿部分且定子绕组14绕在齿部分12上的整体结构。后铁和齿部分可形成为示出的整体结构，其中的齿部分整体从后铁部分中悬垂下来，或形成为用任意适合的方法如粘合剂固定在一起的独立部件。定子10及其绕组14可安置在定子架(未显示)中或装入合适的有机绝缘材料中。依照‘094申请的一种电气装置还包括定子组件，所述定子组件带有多个沿圆周隔开且相对定子组件排列成轴向结构的永磁体。
旋转机器、尤其是无刷永磁电机运转时可能发生的一个严重问题与转子组件在其转动过程中经受磁场环境的规则变化而引起的发热有关。常用磁导系数(Pc)的概念来量化此效应。特别地，磁导系数通常依照磁体在其工作点上的第二象限磁化(B-H)曲线定义，且由公式Pc＝Bd/Hd给出，其中，-Hd为去磁磁场，Bd为从磁体发射出来的有效磁通量，两者均取自工作点下。Pc随着转子运转的位置变化，工作点相应按照反射任意时刻存在的通量B的方式沿着B-H曲线移动。依照法拉第定律，变化的磁通连续在转子中感应出涡旋电流。这些循环电流可在转子中产生很大的热量，在额定100kW的机器内发热可达10kW，这在一些情况下足以导致不可逆的磁体损耗甚至毁坏转子磁体。提出的一种减小转子磁体承受的磁导系数变化的方法是引入凸出的磁极，也称为齿尖，它们通过加宽定子芯对着气隙的表面的截面面积而形成。几乎所有的常规径向气隙机器都采用凸出的磁极来提高从转子引导穿过定子齿的磁通量。加宽的极尖在通常在径向气隙定子中使用的冲压叠片中相对较容易提供。然而，凸出的磁极不容易加工到轴向气隙机器的定子中，因而通常成本上不允许在轴向气隙机器中加入凸出的磁极。
本发明通过提供包括前铁的新式定子组件，以成本有利的方式解决定子磁体中的发热问题。前铁的存在减小了转子磁体在旋转时承受的磁导系数的变化，因而降低了在转子中产生涡旋电流的磁通的变化范围。依照本发明的电气装置的定子中的发热量可大大降低，例如，在额定100kW的机器中从10kW降至2kW或更低。因此，转子磁体的寿命可显著延长，电气装置的寿命因而延长。虽然在高极数电机实施例中使用前铁特别适合，低极数装置中也是有益的。
如图2所示，适合于本机器的一种形式的定子组件通过在图1中显示的类型的定子中加入前铁来构造。首先，通过将低损耗高频带形材料螺旋缠绕成环形形成金属中心。该环形为大致直的圆柱壳形状，沿轴向观察时具有内直径和外直径。从内直径“d”轴向延伸至外直径“D”且围绕在上述形成的全环形圈周围的环形末端表面区域22限定了表面积。金属芯具有限定了环形圈高度的轴向延伸。绕线后，铁芯经加工以提供外宽度为“w”且大体为径向指向的槽16。槽24的深度沿轴向在环形圈的高度内仅延伸了部分。这些槽降低了金属芯的总末端表面积。去掉槽后剩下的环形区域部分为总面积(TA)，对于其中的低损耗高频材料为非晶金属的实施例也称为非晶金属区域(AMA)。因为槽24从内直径完全延伸至外直径，环形圈的开槽部分中的定子中心的内直径和外直径不是连续的。从槽空间中去除材料产生了多个齿14。齿和槽的数目是相同的。留在槽深度下的沿圆周连续的材料可作为后铁部分16，该后铁部分为齿部分12中的磁通提供隔板。在优选实施例中，为了可成形性和机械完整性，齿的最窄部分不小于0.1英寸。
槽24用导电定子绕组14按照为给定电气装置设计预选的缠绕方法缠绕。通常，优选使用便宜的高导电性导线如铜线或铝线，但也可以采用各种材料和形状，包括其他金属和合金以及半导体材料。导线的截面可以是任意形状，但圆形和方形导线是最常见的。在某些高频应用中，绞线或Litz线可能较为有利。优选的缠绕方案中每个齿12需要一个线圈。每个线圈通常包括多圈导线。然而，技术中已知的任何绕组配置都可以应用。这些绕组可围绕齿形成，或者它们可以单独作为组件准备好并滑动到齿末端上。
定子组件10以及定子绕组14可安置在定子架(未显示)中。定子组件优选用的合适有机绝缘材料例如不在定子磁场材料中感应额外压力的材料罐装在定子架内。虽然定子架优选为非磁性的，但对定子架材料的导电性没有限制。可影响定子架材料的选择的因素包括要求的机械强度和热性质。任何可恰当地支撑定子组件的材料均可用作定子架。在特定的实施例中，定子架用铝制成。
定子组件10还包括前铁18。在图2中示出的实施例中，前铁18包括环状低损耗磁性材料。前铁独立形成并随后安装在齿面上。这种以及其他定子组件包括单独部件的实施例可通过将组成零件用粘合、夹钳、焊接或其他领域中已知的方法连接起来形成。例如，多种粘合剂可能是适合的，包括那些由环氧树脂、清漆、厌氧粘合剂、氰基丙烯酸盐粘合剂以及室温硫化(RTV)硅树脂材料等组成的粘合剂。粘合剂理想地具有低的粘性、低的收缩、低的弹性弹性模量、高的剥离强度、高的工作温度性能以及高的绝缘强度。定子槽可在部件组装之前或之后绕上定子绕组。
一些实施例中，前铁用其他有利的方式运作，可包括(i)减小或基本消除装置的电压或电流波形基频中的谐波；(ii)提高电气装置的效率；以及(iii)提供磁阻补偿以降低扭矩变动。
后铁、前铁和齿部分由软磁材料构成。在优选实施例中，这些部分用低损耗材料例如非晶金属、纳米晶金属或优化的铁基合金制成。不需要在全部部分中使用相同的材料。在优选实施例中，前铁由环状软磁材料构成。即使在后铁和齿部分由低损耗材料组成的实施例中，前铁也可由常规材料制成。例如，前铁可采用常规晶粒取向的铁基材料、非晶粒取向的铁基材料或其他硅-铁合金。低损耗材料的使用降低了前铁损耗，同时使前铁优势的其他有利之处最大化，如下文将更详细讨论的那样。在其他实施例中，前铁包括注入模制材料或与粘合剂、有机树脂或其他合适绝缘材料结合的软磁材料的粉末。
图2中示出的定子组件10的实施例中，前铁的外直径和内直径大致等于定子芯的外直径和内直径，且定子绕组沿径向延伸超过前铁的外直径和内直径。前铁、转子组件以及定子组件的外直径和内直径优选相似，但它们不必完全相同。在其他实施例中，前铁部分的大小不同于定子组件的后铁和齿部分的大小。特别地，前铁的内直径或外直径之一或两者都大于或小于后铁和齿部分的相应内直径和外直径。
其他在本发明的应用中有用的定子结构形式已在前面提到的‘271和‘094申请中给出。
或者，一个单一结构提供了齿部分和前铁。在本方法的这种实现中，形成槽时去掉了相对较大部分的材料，原因是前铁通常比后铁薄。单独形成的环状后铁随后安装到定子组件的相反表面上。定子槽可在部件组装之前或之后绕上定子绕组。
在另一种实施例中，定子芯、后铁以及前铁全部从单独的环状低损耗材料加工成完全单一的组件，且槽上绕以定子绕组。
在又一种实施例中，前铁和后铁结构均由环装圈加工而成。槽和齿分部设置在每个结构的表面中。这些结构与各自放入配合支座的齿分部组装成对立关系。定子组件的每个齿分部包括从前铁和后铁两部分中悬垂下来的齿分部。
在另一种实施例中，前铁和后铁部分加工成圆柱形环状圈且独立形成的齿分部安置在中间。
在其他实施例中，前铁的功能由与定子成对立关系安装在转子上的软铁结构实现。在轴向气隙实施例中，环状圈对于此前铁是适合的形式。
同样提供了一种用于径向气隙机器且包括由一堆环形叠片结构提供的前铁的定子组件。在包含外侧定子和内侧转子的普通配置中，环形叠片结构的外直径与由向内突出的定子齿形成的内直径匹配。当然，在内外倒置的电机中，环形叠片结构包围着定子的外直径。
本前铁应与用于减轻转子结构中随时间变化的磁通量的可导电但不透磁材料制成的薄护罩区别开来。然而，这种护罩可用在本发明的实施例中以补充前铁的有利之处。
前铁的厚度前铁的厚度优选经挑选以优化电气装置的性能。太薄的前铁环状线在例如降低转子损耗时没有效果。另一方面，太厚的前铁过多地将转子和/或定子的磁通量路线导入前铁自身，这可显著降低电气装置的性能。例如，转子永磁体的磁通量优选被引导贯穿定子齿的轴向长度，因而贯穿环绕的定子绕组。另外，流过定子绕组的电流产生的磁通量优选大部分被引导至气隙。
前铁的最佳厚度可以是小于1mm至1mm、2mm、5mm或更多不等。最佳厚度根据电气装置的尺寸和运行需求、定子材料的性质、定子绕组、前铁和定子及其固有磁性特性的不同而不同。在特定的实施例中，对于用Metglas2605SA1或类似铁基非晶合金制成的前铁，最佳前铁厚度对于高槽数设计在0.5至1.0mm的范围。低槽数、高频率设计采用稍厚的前铁较为有利。最佳厚度同样会随定子永磁材料的性质变化。各种适合于电磁分析且可应用领域中的一种普通技术的计算机软件工具可用于依照各种可影响电气装置性能的参数共同优化前铁厚度。
前铁厚度可依照装置结构的其他方面和装置的性能特性最佳地共同优化。重要性能特性的实例包括转换频率(优选高频)的选择以及保持低感应系数和充分的低速控制。其他结构细节例如导体和软磁材料的最佳平衡和齿以及后铁部分的尺寸受前铁的包含影响。
本电气装置的优选实施例中的非晶、纳米晶、优化铁基合金、晶粒取向铁基或非晶粒取向铁基材料的使用使得机器的转换频率可提高至高于400Hz，而铁芯损耗与可见于常规机器中无法接受的巨大增加相比仅有相对较小的增加。在定子铁芯中采用低损耗材料相应地使得可提供增加的功率密度以及提高的效率的高频率、高极数的电气装置的发展成为可能。此外，定子铁芯损耗的降低同样使得电机可在远高于常规基本速度的速度下运行，而不需要降低扭矩和功率的额定值，这在常规设计的机器中因热限制时常是必需的。
非晶金属非晶金属，同样也称为金属玻璃，存在于适合在本电机中使用的多种不同的化合物中。金属玻璃通常形成于必需的化合物的合金熔体，这些化合物从熔体快速淬火，例如以至少约106℃/秒的速率冷却。它们没有呈现出长程原子级且X射线衍射图仅显示散射光晕，与那些在无机氧化物玻璃中观察到的类似。一些具有合适的磁性性质的化合物已由Chen等人在美国专利号No.RE32,925中列出。非晶金属通常以宽20cm或更多的延展长度的薄带(例如厚度最多约50μm)的形式提供。一种对不定长度的金属玻璃带的形成有用的工艺已由Narasimhan的美国专利号No.4,142,571中公开。适合于用于本发明的典型非晶金属材料是由Metglas公司、Conway、SC以不定长度且宽度可达20cm而厚度可达20-25μm的条带的形式出售的METGLAS2605SA1(见http://www.metglas.com/products/page5_1_2_4.htm)。其他具有必要性质的非晶材料也可以使用。
非晶金属具有一些在生产和使用磁性设备时必须考虑的特性。与大多数软磁材料不同，非晶金属(也作金属玻璃)坚硬且易碎，特别是在通常用来优化它们的软磁性质的热处理之后。因此，许多通常用来处理用于电机的常规软磁材料的机械操作很难或无法在非晶金属上实施。将这样生产的材料冲压、打孔或切割通常引起不可接受的工具磨损且事实上在易碎、热处理过的材料上不可能实施。时常用于常规钢材的传统打孔和焊接通常也被排除。
此外，非晶金属呈现出比常规Si-Fe合金低的饱和磁通密度(或感应)。较低的磁通密度通常造成依照常规方法设计的电机的功率密度较低。非晶金属同样具有比Si-Fe合金低的热传导率。因为热传导率决定了热量从热的地方经过材料传导到冷的地方的容易程度，较低的热传导率值需要谨慎的电机设计以确保由磁性材料中的芯损耗、绕组中的欧姆损耗、摩擦、风阻以及其他损耗源引起的多余热量被充分去除。没有充分的去除多余热量继而造成电机的温度不可接受地升高。过高的温度容易造成电气绝缘或其他电机部件过早失灵。一些情况下，过热可造成电击危险或触发灾难性火灾或其他健康和安全方面的严重危险。非晶金属还呈现出比某些常规材料高的磁致伸缩系数。具有较低的磁致伸缩系数的材料在磁场的影响下经受较小的尺寸变化，这又可降低机器发出的可闻噪音，并使得材料更容易受机器制造或运行时感应的压力造成的其磁性性质退化的影响。
虽然有这些难题，本发明的一方面提供了一种成功地结合了高级软磁材料并允许电机工作在高频激励例如大于约400Hz的转换频率下的电机。同样提供了电机制造的构造技术。由于构造和采用高级材料特别是非晶金属的原因，本发明成功地提供了一种工作在高频(定义为大于约400Hz的转换频率)下且高磁极数的电机。非晶金属在高频下呈现出低得多的磁滞损耗，这使得芯损耗也低得多。与硅-铁合金相比，非晶金属的电导率低得多且通常比一般使用的厚度通常为200μm或更多的硅-铁合金薄。这些特性使得涡旋电流铁芯损耗更低。本发明成功地提供了一种电机，该电机受益于这些特征中的一种或多种特征，因而有效地工作在高频下，使用一种允许非晶金属的有利品质如低芯损耗得以利用的构造，同时避免了先前使用高级材料的尝试中面临的难题。
纳米晶金属纳米晶材料是平均晶粒大小约为100纳米或更小的多晶材料。与常规质地粗糙的金属相比，纳米晶金属的性质主要包括增强的强度和硬度、增强的扩散率、更好的柔软性和韧性、降低的密度、降低的模量、更高的电阻、更高的比热、更高的热延展系数、更低的热传导率以及优良的磁性性质。纳米晶金属还具有通常稍高于铁基非晶金属的饱和电感。
纳米晶金属可通过多种工艺形成。一种优选的方法包括首先使用上文中说明的工艺将必需的化合物浇铸成不定长度的金属玻璃条带，并将该条带制成所需的构造如圆形。随后，起初的非晶材料经热处理形成纳米晶微结构。此微结构的特点是存在平均大小小于约100nm，优选小于50nm，更为优选小于10-20nm的高密度晶粒。晶粒优选占据铁基合金体积的至少50％。这些优选的材料具有低的铁芯损耗和低的磁致伸缩。后一性质还使得材料更不容易受包括该部件的装置的制造和/或运行产生的压力引起的磁性性质退化的影响。在特定合金中产生纳米晶结构所需的热处理必须在比设计成在其中保持大体完全玻璃态微结构的热处理所需的温度高或保持更长的时间。纳米晶金属优选为铁基材料。然而，纳米晶金属同样可基于或包括其他铁磁材料，例如钴或镍。适合于用于制造本发明的磁性元件的代表性纳米晶合金已已知，例如Yoshizawa在美国专利No.4,881,989中以及Suzuki在美国专利No.5,935,347中列出的合金。这些材料可从Hitachi Metal、Vacuumschmelze GMBH&Co.以及AlpsElectric获得。具有低损耗性质的典型纳米晶金属是Hitachi FinemetFT-3M。另一种具有低损耗性质的典型纳米晶金属是VacuumschmelzeVitroperm 500Z。
优化的铁基合金本机器也可用优化的低损耗铁基晶体合金材料建造。这种材料优选为带形，厚度小于125μm，比常规用在电机中的钢材要薄得多，这些钢材厚度为200μm或更多，有时达到400μm或更多。晶粒取向和非晶粒取向的材料均可使用。如这里使用的一样，取向材料是一种成分微晶晶粒的主晶轴不是随机取向，而是主要沿一个或多个优选择优方向相关的材料。由于前述微结构，取向条带材料对沿着不同方向的磁激励反应不同，而非取向材料各向同性地反应，即是说，对沿着条带平面内的任意方向有大致相同的反应。晶粒取向材料优选在本电机中将其易于磁化的方向与磁通量的主方向大致重合地放置。
如这里使用的那样，常规硅-铁材料指硅重量成分约为3.5％或更少。硅重量3.5％的限制是工业上因更高硅成分的硅-铁合金的不良金属加工材料性质而施加的。常规硅-铁合金级别工作在频率高于约400Hz的磁场下引起的铁芯损耗远高于低损耗材料的铁芯损耗。例如，一些情况下常规硅-铁的损耗可达到那些在工作在本机器的频率和磁通水平下的机器中遇到的频率和通量水平下的合适非晶金属的10倍。因而，很多实施例中工作在高频下的常规材料会发热至常规机器无法通过任何可接受的方法冷却的程度。然而，一些级别的硅-铁合金(这里称为优化的硅-铁)可直接应用于制造高频机器。
在本发明的应用中有用的优化铁基合金包括含有重量大于3.5％、优选大于4％的硅的硅-铁合金级别。用于建造依照本发明的机器的非晶粒取向铁基材料主要由硅重量含量范围约为4％至7.5％的铁硅合金构成。这些优选合金比常规硅-铁合金含有更多的硅。铁-硅-铝合金例如Sendust同样有用。
更为优选的非取向优化合金的成分主要由含有重量为6.5±1％的硅的铁构成。最为优选的是，含有约6.5％的硅的合金呈现出接近零值的饱和磁致伸缩，使得它们更不容易受由含有该材料的装置在建造或工作时遇到的压力引起的有害磁性性质退化的影响。
优化的目的是为了得到具有改良的磁性性质的合金，改良的磁性性质包括降低的磁致伸缩，特别是更低的芯损耗。这些有利性质可在某些以适当制造方法制造的含有增加的硅成分的合金中获得。一些情况下，这些优化的硅-铁合金级别根据与非晶金属类似的铁芯损耗和磁饱和区分。然而，含有多余约4％原子含量的硅的合金因其短程有序产生的脆性而不容易通过常规方法生产。特别地，用于制造常规硅-铁的常规卷绕工艺通常无法制造优化硅-铁。然而，其他已知的工艺可用于生产优化硅-铁。
例如，一种合适形式的铁-6.5硅合金由日本东京的JFE钢铁公司(见http://www.jfe-steel.co.jp/en/products/electrical/supercore/index.htm.)以50和100μm厚的磁性条带提供。由Das等人在美国专利No.4,865,657中以及Tsuya等人在美国专利No.4,265,682中公开的快速固化处理得到的铁-6.5％硅也可以使用。快速固化处理也已知用于制备Sendust以及相关铁-硅-铝合金。
软磁材料的芯损耗一般可用以下修正的Steinmetz等式表示L＝a·f·Bb+c·fd·Be，其中L为损耗，单位为W/kg，f为频率，单位为kHz，B为峰值磁通密度，单位为特斯拉，而a、b、c和d以及e均为只有软磁材料才有的损耗系数。
上述每个损耗系数a、b、c、d和e一般可从给定的软磁材料的制造商那里获得。特别优选用于本定子结构的是由低于“L”的铁芯损耗表征的低铁芯损耗磁性材料，其中L由公式L＝12·f·B1.5+30·f2.3·B2.3给出，其中L为损耗，单位为W/kg，f为激励频率，单位为kHz，以及B为峰值磁通密度，单位为特斯拉。
转子组件图3显示了本发明的电气装置的实施例的局部分解图，包括后铁16、多个定子齿部分芯12、定子绕组14、前铁18以及多个转子磁体20。
转子和定子组件大致共轴。在一个方面，本发明提供了轴向气隙无刷永磁电机，该电机包括转子组件，该转子组件包括多个安放在转子组件中的磁体20。转子组件靠近定子组件安置且共轴地安放在轴上。磁体含有交替的磁极且以大致相等的间隔沿圆周可靠地安置在定子周围。定子磁体的不同参数如大小、位置、角度、歪斜、形状以及类似参数经选择以获得所需的性能。
本定子组件可采用任何可将磁体固定以便靠近定子组件的前铁表面转动的形式。例如，定子磁体20可设置在转子架内或安装在定子架上。转子组件可包括任意数目的转子磁体20。在一些实施例中，转子磁体延伸贯穿转子的厚度，而在其他实施例中，它们不这样。
磁体可间隔开来，使得交替的磁体间只有很小或没有圆周间隙。磁体间的间隔优选经选择以达到最佳值，这也使得扭矩变动的出现最小。最佳间隔可由首先将定子的低损耗金属面积除以定子槽的数目以得到每个单独的金属芯齿的面积来得到。磁体间的最佳间隔则是使得每个磁体的总面积等于芯齿的面积的175±20％。
虽然定子磁体20描述为永磁体，但这不是必需的。在备选实施例中，定子包括一个或多个电磁铁，或者，定子可由软磁材料形成，例如在本电气装置的感应式电机实施例中那样。
转子材料任何类型的永磁体均可用于本电机中。稀土过渡金属合金磁体如钐-钴磁体、其他钴-稀土磁体或稀土-过渡金属-非金属磁体例如NdFeB磁体尤其适合。或者，转子磁体结构包括任意其他烧结的、塑料粘结的或陶瓷永磁材料。磁体优选具有高的最大BH能量积、高的矫顽力和高的饱和磁化强度，以及线性二象限常态退磁曲线。更为优选使用取向和烧结的稀土-过渡金属合金磁体，这是因为它们较高的能量积提高了磁通量，因而提高了扭矩，同时使得昂贵的永磁材料的体积可以减到最小。
定子装置优选包括盘或轴向类型的转子组件，该盘或轴向类型转子组件包括沿圆周隔开的高能积永磁体，如稀土-过渡金属(如SmCo)或稀土-过渡金属-非金属磁体(如NdFeB和NdFeCoB)，每个磁体含有限定了北极和南极的相反末端。转子及其磁体20受支撑以便围绕电机轴转动，例如在一根轴或其他任何适合的配置上，使得磁体的磁极可沿着临近一个或多个定子组件和与之相关的前铁的预定路线达到。通常该轴由用于旋转机器的任意适合类型的轴承支撑。转子上的磁场具有外直径和内直径。在优选实施例中，对于轴向气隙类型转子，磁体20的外直径和内直径与定子组件10的基本相同。如果磁体20的外直径大于定子齿部分12的外直径，则转子的外部部分对性能无大的贡献。如果转子的外直径小于定子齿部分12的外直径，结果是电气装置性能的降低。在任一情况下，机器中存在的一些硬磁或软磁材料增加了成本和重量，但没有提升性能。一些情况下，附加的材料甚至会降低性能。
定子损耗包括了前铁的本电机的优选实施例提供了多种有利的品质，包括转子组件中降低的涡旋电流和磁滞损耗，以及扭矩变动和扭矩波纹的降低。很多情况下，这些有利之处弥补了成本和增加前铁的复杂性的提高、前铁自身的损耗以及稍稍降低的机器输出功率。
转子组件常常包括导电的材料，例如永磁体本身或转子架。如前文所说明，变化的磁场中的任何导体都会经受感应的电压，如法拉第定律所表示。该导体材料中的感应电压产生了通常称为涡旋电流的循环电流。涡旋电流在材料中产生的热量由普通的表达式I2×R以电流(I)和电阻(R)的函数给出。涡旋电流在任何电气装置中均为多余的损耗源，这是因为它们不提供有用的扭矩。因此，装置设计者的一项目标是涡旋电流的完全消除。
涡旋电流损耗通常随着电相邻的块的大小增加而增加，且正比于材料的电导率。因此，涡旋电流损耗通常可通过将材料分成由不导电的材料隔开的叠片结构而降低。因为这个原因，变压器和旋转机器中使用的常规软磁材料通常形成为卷绕工艺制成的薄叠片结构。然而，即使对于转子构造不是不可行或成本上不许可，永磁材料显著不同的机械性质也会使得叠片结构方法更为困难。
已知的最高磁通产生永磁体即稀土类磁体是导电的，因而易于呈现出不希望有的高涡旋电流损耗。这些损耗理论上是变化的磁场强度的平方、变化的频率的平方以及材料的电导率的函数。实际上，材料的尺寸(叠片结构的厚度和长度)显著影响阻抗。
非线性磁性材料，包括硬磁体和软磁体在变化的磁场中呈现出一定的磁滞现象，这是材料的内部磁性性质随外部条件的变化的反应的滞后现象。该滞后可概念化为如同由内部摩擦产生的一样。由于材料中的发热，磁滞可成为损耗的附加原因，它作为材料的内在磁性性质的函数而变化。
这些材料可经受小的或“微”回路的磁滞，这些回路不覆盖磁滞B-H曲线的所有四个象限，因而表示不是完全的反磁化。例如，在软磁材料中这些微回路通常出现在B-H曲线的第一或第三象限。硬磁体，例如在本发明某些实现中的转子中使用的那些，因周期性磁导变化而遵循第二或第四象限中的微回路，如上文所述。每个回路的面积表示因电气装置的磁滞损耗引起的损耗。
磁导系数的变化如前所述，电机的转子几乎总是在转子/定子磁回路因转动而变化时经受显著的磁通密度的周期性变化。该变化可参照磁导系数而最佳地理解。磁导系数(Pc)可作为转子、定子和气隙传导磁通量的能量的衡量。当转子转动时，磁导系数在转子磁体最紧密地与电子芯齿对齐的位置最大，而当磁体位于齿间的中间位置时最小。转子磁体内部和外部的磁通密度相应变化。正是转子磁体内的磁通密度的周期性变化感应出引起发热的涡旋电流。
涡旋电流和磁滞损耗发生时的频率通常不在机器的预期同步频率，该同步频率由以下公式给出同步频率＝速度×永磁(定子)磁极对数目。
更确切地说，这些损耗发生在转子磁体移动进入变化的磁导系数条件和移动离开该条件时的频率，该频率由定子齿数目的函数给出转子损耗频率＝速度×定子齿数目。
该转子损耗频率比槽的每相每磁极比率为0.5的电气装置的同步频率高三倍，下文将更详细的讨论。
前铁对转子损耗的影响为定子组件增加前铁显著改变了转子在各个位置下的磁导系数。前铁降低了不增加前铁时不可避免存在的低-高-低磁通变化的幅度。前铁有利地提供了部分“桥接”了使用软磁材料的定子中的开口槽的低磁阻通量路径。图4的曲线显示，随着转子中B的变化随着前铁厚度的增加而降低，转子中有害的涡旋电流和磁滞损耗也随着降低。
降低扭矩变动和扭矩波纹可见于一些包括了前铁的机器中的另一个有利之处是扭矩波纹和扭矩变动的降低。机器理想在不随转子的角位置变化的扭矩下运行。然而，如前所述，电机随转子的角度不同其转子-定子磁回路的磁导率不可避免地会有一些变化。因此，同样会不可避免地存在一些扭矩的变化。电机设计者优选尝试消除扭矩变化以得到扭矩基本恒定的平滑输出。过高的扭矩波纹还会引起不期望的听觉噪音。在电动机领域中，通常对扭矩变动和扭矩波纹作区分。前者是指机器没有电流输入/输出时扭矩随着转动位置的波动或变化，而后者是指运行时即在功率负载下的扭矩变化。然而，波纹和嵌齿是物理上相关的现象，且有时被认为是可互换的。扭矩波纹受电气装置的设计和电源电子电路工作两者的影响。扭矩变动主要依赖于机器设计参数。然而，因为本发明主要与电气装置的设计有关，扭矩变动和扭矩波纹可一起考虑。
增加前铁降低了不同位置下磁导系数的变化，使得穿过气隙的磁通量的绝对值更为稳定。因此，降低了扭矩变动。如果前铁的厚度无限制地增加，则扭矩变动趋近于零。
扭矩变动受磁导系数变化的影响。如高斯定律所推断，在任意给定的时间的情况下，穿过气隙的净磁场强度为零。然而，在某些转子相对于定子位置下的磁导系数高于其他位置下的磁导系数。在这些位置下，磁通量的绝对值大于磁导系数较低处的位置。将转子从高Pc位置移动到低Pc位置会产生扭矩。例如，在SPP值为0.5的装置中，对于每个转子磁极对存在六个高传导率位置。扭矩变动可观察为转子从一个高磁导系数位置“跳”到下一个高磁导系数位置的结果。
前铁对性能和损耗的影响增加前铁因附加材料的使用和额外的处理步骤而增加了装置的成本，但该成本通常可由电气装置性能上的许多增加来补偿。
任何机器的输出都极大地依赖于气隙中磁通量的相互作用。出乎意料地是，厚度经恰当选择的前铁的使用实际上相对于无前铁的情况下增加了定子芯中的磁通量。定子芯中磁通量的增加有利地增加了电气装置的输出。然而，该增加很小，且通常出现在前铁厚度在0.25mm量级或更小时，如图5所示。过厚的前铁降低了到达气隙的定子绕组中流动的电流产生的定子磁通量，这是因为前铁可导致来自一个定子芯(包括齿)的磁通“旁路”至一个相邻定子芯或齿上。因此，前铁厚度的优化必须考虑对装置输出的影响。
前铁自身经受变化的磁通，引起了涡旋和磁滞损耗。这些可通过选择低损耗材料并适当优化前铁厚度显著地降低。增加前铁还导致了定子芯中的磁通密度更高，而不产生更高的扭矩输出。铁芯结构中更高的磁通密度将不可避免地在铁芯中产生更高的损耗，如图6所示。多数情况下，定子中增加的损耗大于降低转子磁体中的损耗的补偿。因此，定子损耗优选在优化前铁厚度时考虑，使得机器的总体性能得以提高。
采用低损耗材料的高磁极数、高频率设计本结构和方法可应用于磁极数目自低到高不等的电气装置。然而，包括前铁的有利之处尤其在一些实施例中实现了，在这些实施例中定子中低损耗材料的使用使得工作在高频的高磁极数电气装置的设计成为可能。在特定实施例中，本发明提供了高磁极数的轴向气隙电气装置，该机器可工作在高频，即高于约400Hz的转换频率。一些情况下，装置可工作在从约500Hz到3kHz或更高的转换频率下。设计者通常避免了高磁极数的高速电机设计，这是因为常规定子芯材料例如硅-铁无法工作在高磁极数相应所需的高频率下。特别地，已知采用硅-铁的装置由于材料内变化的磁通量产生的铁芯损耗而在显著高于约400Hz的频率时无法进行转换。高于该极限时，铁芯损耗使得材料发热至装置无法通过任何可接受的方法冷却的程度。在某些情况下，硅-铁材料的发热甚至严重到机器无论如何也无法冷却，并导致自毁。然而，已经确定合适的非晶、纳米晶和优化铁基材料的低损耗特性允许有比常规硅-铁材料高得多得转换速率。虽然在优选实施例中，非晶金属合金例如METGLAS2065SA1合金的选择去除了高频运行的发热引起的系统局限，转子设计和整体电机结构同样得以改善以更好地利用非晶材料的有利性质。
使用更高激励频率的能力使得本机器可设计为具有更宽广的可能的磁极数范围。本装置中的磁极的数目是基于允许的机器尺寸(物理约束)和预期性能范围的变量。如果允许的激励频率限制许可，磁极的数目可提高至磁通量泄漏增加至不期望的值，或性能开始降低。前铁的使用同样有助于使泄漏最小。
因为定子槽必须与转子磁体一致，还存在由定子构造施加在转子磁极数目上的机械限制。机械和电磁约束共同限制了定子中可制造的槽的数目。这些影响又部分地是机器结构尺寸的函数。对于给定的提供了恰当的铜和软磁材料平衡的结构，可设定一些界限以确定槽数目的上限。平衡的调节可用作制造性能良好的轴向气隙机器的参数。本发明提供了磁极数最佳为现有工业机器通常具有的磁极的数目约4倍或5倍的电机。
作为一个例子，对于典型具有6个至8个磁极且工作在约800至3600rpm速度下的电机，转换频率约为100至400Hz。转换频率(CF)为旋转速度乘以磁极对数，其中磁极对为磁极数除以2，旋转速度的单位是转/每秒(CF＝rpm/60×磁极/2)。工业中还可获得带有16个或更多磁极但速度小于1000rpm即仍对应于小于400Hz频率的装置。或者，也可获得具有相对较低磁极数目(如小于6个磁极)而速度可达30000rpm的电机，其转换频率仍小于约400Hz。在代表性的实施例中，本发明提供了具有有96磁极、1000Hz下为1250rpm电机；54磁极、1080Hz下为3600rpm的电机；4磁极、1000Hz下为30000rpm的电机；以及2磁极、1000Hz下为60000rpm的电机。本发明的高频机器可工作在高于已知用常规材料和设计制造的轴向气隙电机约4至5倍的频率下。当工作在相同频率范围内时，该提供的机器通常比工业中典型的电机效率更高，因而提供了更好的速度选择。本配置对于具有非常宽的频率、功率和额定扭矩范围的电机构造尤为适合，某种意义上结合了高能量效率、高功率密度、组装的便捷以及昂贵的软磁和硬磁材料的有效使用。
热性质和效率限制了各种电机包括那些使用常规硅-铁合金和使用非晶、纳米晶、优化硅-铁合金、晶粒取向铁基或非晶粒取向铁基金属的电机中可获得的装置输出效率的一种特性是能量转化为无用发热的损耗。此无用发热有多种来源，但主要来自于欧姆损耗、外壳和绕组中的邻近效应损耗、磁体和其他转子部件中的涡旋电流引起的转子损耗以及源于定子芯的芯损耗。常规机器的“连续功率极限”通常由机器可连续工作但仍散发足够的无用热量以防止温度无法接受地升高时的最大速度决定。该连续功率极限是电流的函数。
在可最优地应用于本发明的实际应用中的高频、高磁极数电气装置中，因为非晶、纳米晶以及优化铁基金属合金的损耗比常规硅-铁的损耗低，因而产生了较少的无用热量。设计者可通过提高频率、速度和功率并正确地平衡和“折衷”低芯损耗与欧姆损耗的比例以利用这些材料的低损耗特性。总的来说，对于与常规机器相同的功率，可最优地应用于本发明的实际应用中的高频、高磁极数电气装置呈现出较低的损耗，于是有更高的扭矩和速度，因而可获得较常规机器更高的连续功率极限。
本发明的一个方面的实际应用中优选的机器的一项优点是使装置的效率最大而同时保持成本效能的能力。习惯上，装置效率定义为有用功率输出除以功率输入。可最优地应用于本发明的高频、高磁极数电气装置同时具有高的磁极数且工作在更高的转换频率下，使得具有低芯损耗和高功率密度的装置效率更高。它们超过了400Hz的工业标准高频极限，此前即使存在实际应用，也几乎没有高于此极限的。
可应用于本发明的优选高频、高磁极数电气装置的性能和提高的效率并不简单是将常规硅-铁用非晶金属代换的固有特点。已提出了多种设计，但它们遇到了性能失效(包括过热和较低的输出功率)的问题。该失效被认为主要是源于仅仅采用为常规材料(硅重量成分为3.5％或更少的硅-铁)设计并适合于常规材料的方式应用新材料(例如非晶金属)和生产方法。早期的性能失效，加上意识到的将非晶金属加工成电机的成本，使得工业上放弃了研发努力。
可最优地应用于本发明中的高频、高磁极数电气装置通过利用了非晶、纳米晶、优化硅-铁合金、晶粒取向铁基或非晶粒取向铁基材料性质的旋转电气装置设计克服了先前技术的性能失效。还提供了与各种改进材料的物理和机械特性相容的构造方法。这些设计和方法提供了具有各种有利性质中的一些或全部性质的机器，这些有利性质包括在高磁极数目下以高效率以及高功率密度工作在高于400Hz的转换频率下。虽然其他常规方法可提供最多具有四种性质中的一种或两种的电机，这里在实施例中提供了同时呈现出一些或优选全部四种性质的高频率、高磁极数的电气装置。与那些在‘094应用中提供的机器相比，本机器提供了另一种可降低电机中的损耗的机制，也即是在定子组件中使用前铁。
在很多实施例中，本高频、高磁极数电机有利地显示出了高效率。对于改善的主要贡献源于磁滞损耗的显著降低。如技术中已知，磁滞损耗源于所有软磁材料的磁化过程中的受阻畴壁运动。这些损耗通常在常规使用的磁性材料如常规晶粒取向硅-铁合金和非取向电机和电力钢材中比在本机器中优选采用的改良材料中高。高损耗又可增加铁芯的过热。由于效率的提高，可最优地应用于本发明中的高频、高磁极数电气装置可获得更宽的连续速度范围。常规电机存在局限，它们在高速度范围(低功率)下提供低扭矩，或在低速度范围下提供高扭矩。可最优地应用于本发明中的高频、高磁极数电气装置成功地提供了在高速度范围下具有高扭矩的电气装置。
槽每相每磁极比率电机的槽每相每磁极(SPP)值由将定子槽的数目除以定子绕组中的相数目和DC磁极的数目确定(SPP＝槽/相/磁极)。在本说明中，磁极指不随时间变化的磁场，这里也称为DC场，该场与变化的磁场即大小和方向均随时间和位置变化的磁场相互作用。在优选实施例中，固定在定子上的永磁体提供DC磁场，因而提供了一定数目的不随时间变化磁极，这里称为DC磁极。在其他实施例中，DC电磁铁可提供转子DC场。定子绕组的电磁铁提供变化的磁场。槽指本机器定子交替齿间的间隔。本发明的技术可应用于任意SPP值的电气装置。有利地是，本发明的设计为最佳SPP比率的选取提供了相当的灵活性。
常规机器通常设计成具有1至3的SPP比率以获得满意的功能性和噪音水平，且因更好的绕组分布而提供更平滑的输出。然而，已寻求较低如0.5的SPP值的设计以减小末端线匝效应。末端线匝是定子绕组中连接槽间的绕组的导线部分。虽然这些连接当然是必需的，末端线匝对机器的扭矩和功率输出没有贡献。在这种意义上说，它们是不需要的，原因是它们增加了所需的导线的量且增加了机器的欧姆损耗而不提供益处。因此，电机设计者的一项目标是使末端线匝最少并提供噪音和嵌齿可控的电机。另一方面，本电机的优选实现允许降低的SPP比例，同时具有下文将详细说明的理想的低噪音、嵌齿和电源电子电路波纹。这种有利之处通过在高磁极和槽数目下运行而获得。这些选择在先前的机器中不可变，原因是所需的转换频率的增加在不使用高级的低损耗定子材料时是不可接受的。
对于一些应用，建立具有小数SPP值的电机是有利的，原因是这种电机可采用围绕单定子齿安置的预形成线圈。在本发明的不同实施例中，SPP比率为整数比率，如0.25、0.33或0.5。SPP值为1.0甚至大于1.0也是可能的。SPP值优选在约0.25至4.0的范围。然而，本机器更优选的实施例有利地设计成SPP比率为1或更小，甚至更有利地为0.5或更小。将多个槽用导线连接成共有的磁性部分因而提供值大于0.5的SPP是可能的。这是定子槽的数目大于转子磁极数目的结果，导致了分布式的绕组。小于或等于0.5的SPP值表明没有分布式绕组。工业中的习惯是在定子中包括分布式绕组。通常，先前技术中设计成带有分布式绕组的机器每磁极有许多槽，造成工作频率较低。因此，在SPP值为0.5或更少且工作在低频的常规机器中，磁极数目同样会较低且存在较高的难以控制的嵌齿。另一方面，本机器中高级磁性材料的使用使得转换频率可提高，因而可维持低SPP值，同时仍使得嵌齿最小且不降低机器的速度。然而，虽然本发明的方法可应用于具有低于0.5(如0.25)SPP值的电气装置，这种配置有时因实际考虑因素而稍不理想，这些因素包括更高转换频率下所需的增加的机器阻抗、来自转子磁体的稍升高的泄漏磁通量以及容纳更小且为数众多的转子磁体所需的机械支持。低SPP值对于电气装置的其他重要参数也常常不利。
另一方面，升高SPP值显著地增加了机器的磁极间距。例如，多个定子槽可用导线连接成公共的磁性部分，这对应于大于0.5的槽每相每磁极(SPP)值。
虽然本机器可设计成或作为单相装置或具有任意数目的相且每个定子上具有相应数目的绕组的多相装置使用，依照工业惯例优选带有三相绕组的三相机器，这是因为它提供了硬磁和软磁材料的高效利用，同时具有良好的功率密度。SPP比例为0.5的实施例特别适合于三相应用。例如，在三相机器中，槽/磁极/相比率＝0.5时，转子磁极的数目为定子槽数目的三分之二，而槽的数目为相数目的倍数。虽然机器通常依照工业习惯连接成三相Y形配置，也可以采用三角形配置。在本发明提供的优选实施例中，前铁可应用于SPP值最优等于0.5的电气装置。
布线和绕线设计的灵活性本机器某些实施例的另一个优点是采用不同的布线配置的灵活性。传统的定子设计限制了绕线设计的选择，原因是上述集中使用值为1.0至3.0的SPP比率，它需要将绕组分布在多个槽上。当对于分布式绕组有多于两个或三个绕线选择的时候变得困难。本发明提供了利用SPP＝0.5的设计的能力，其中，每个定子芯(包括齿)通常只有一个分立的线圈。然而，本发明并不排斥其他SPP＝0.5的布置。单芯线圈可容易地改动并重新连接以提供给定应用要求的任意电压。因此，假定SPP比率如本发明的装置中一样接近0.5，则定子绕组配置将有很大的灵活性。例如，制造商可单独为每个定子绕线，或者制造商可在同一定子内提供单独的定子绕组。此能力是SPP等于0.5的系统的一项优点。虽然有时存在采用SPP＝0.5的工业系统，但它们不是很普遍且仅在很少的应用中获得成功。本发明成功地提供了允许此绕线灵活性的SPP等于0.5的系统。
因此，给定的硬件配置可简单地通过改变定子绕组或它们的互连而提供很宽范围的解决方案。通常，绕组是电磁线路中最容易改动的部件。显著的实惠和简化提供给了需要更少的标准设计的制造商、可维持更简单的存货的分销商和可改动给定的机器以适应变化的使用需求的用户。
机器系统和电源电子电路控制依照又一方面，提供了一种包括了上述类型的轴向气隙电机以及连接和控制机器的电源电子电路装置的电动机器系统。该系统可作为电动机或发电机或它们的结合工作。电动机必须直接或通过DC电源的换向供给以AC电源。虽然机械换向已长久地用在电刷类型的机器中，大功率半导体装置的可用性使得用于许多现代永磁电机的无刷电子换向装置的设计成为可能。在发电模式下，机器(除非采用机械换向)固有产生交流电。大部分机器说明同步工作，这表示交流输入或输出功率的频率与转动频率和磁极数目成正比。因而直接连接到电力线路上的同步电机工作在特定的速度，而变化可以通过改变磁极数目实现，电网有例如电力工业常使用的50或60Hz线路或通常在船舶和航空系统中使用的400Hz线路。对于同步发电，原动力的旋转频率必须受控制以提供稳定的频率。一些情况下，原动力固有产生的旋转频率过高或过低，使得对于已知的机器设计，磁极数目在实际界限内的电机无法适应。在这种情况下，旋转的机器不能直接连接至机械轴，因此通常必须采用变速箱，尽管此附属物增加了复杂性和效率上的损失。例如，风轮机转动如此之慢，以致在常规电机中将需要过高的磁极数目。另一方面，为了以要求的机械效率正常运行，典型的燃气涡轮机转动如此至快，以致磁极数目很低时产生的频率仍不可接受地高。电动和发电应用的备选方案是主动电源转换。本包括了带有前铁的定子组件的电机的实施例有利地与主动电源转换一起使用，特别是在与宽范围和/或不同的电源需求有关的应用中。
如本文所使用，术语“电源电子电路”理解为表示适合于将作为直流电(DC)或具有特定频率和波形的交流电(AC)供给的电力转换为DC或AC的电力输出的电子电路，输出和输入在电压、频率和波形上至少有一方面不同。这种转换由电源电子电路转换线路完成。对于除了使用普通的保持频率的变压器对AC电源进行简单的电压变换，以及将AC进行简单的桥式整流以提供DC之外的转换，现代的电源转换通常采用非线性半导体器件和其他提供主动控制的相关元件。
如上文更详细地讨论的那样，依照本发明构建的机器可在比常规装置宽的多的转动速度范围内作为电动机或发电机工作。许多情况下，此前电动机和发电机应用中均需要的变速箱可以去除。然而，得到的有利之处通常同样要求使用电源电子电路，与常规机器中采用的电路相比，该电源电子电路可工作在的更宽电子频率范围的。
对于电动机器系统的电动应用，机器被连接至电源，例如电力线路、电化学电池、燃料电池、太阳能电池或其他任何适合的电能源。任何必要类型的机械负载可连接在机器轴上。在发电模式下，机器轴机械地连接在原动力上且系统连接在电负载上，该负载可包括任何形式的电器或电能储存器。该机械系统也可作为再生式电动系统使用，例如作为连接在车辆驱动轮上的系统，交替为车辆提供机械推动力和将车辆的动能重新转换为电能储存在电池中以实现制动。
在本轴向气隙机械系统中有用的电源电子电路装置通常必须包括具有足够动态范围的主动控制，以适应机械和电子负载的预期变化，同时保持良好的机电运行、调整和控制。该装置必须在前述每次旋转过程中变化的磁导引起的相位阻抗的范围内良好工作。任何形式的电源转换布局均可使用，包括采用升压、补偿和回扫转换器以及脉冲宽度调制的开关稳压器。电压和电流的相位优选均可独立控制，且电源电子电路的控制可在有或没有直接的轴位置传感时工作。此外，优选提供四象限控制，使得机器可顺时针或逆时针旋转且可按照电动或发电模式运行。优选同时包括电流环和速度环控制电路，其中扭矩模式和速度模式控制均可采用。为了运行的稳定，电源电子电路装置必须优选具有预期转换频率的约10倍的控制环频率范围。对于本系统，旋转机器运行达到约2kHz的转换频率则需要至少约20kHz的控制环频率范围。电动运转方式中使用的控制器通常采用IGBT半导体开关元件。这些器件呈现出随频率升高的开关损耗，因而通常优选工作在最高约1000Hz的转换频率下。电机系统因而优选有利地设计成转换频率在从约600至1000Hz的范围，使得较便宜的IGBT可以使用，同时保留了因低损耗材料的使用而得以实现的更高的工作频率带来的有利之处(如提高的功率密度)。对于发电应用，合适的整流桥甚至允许在更高的转换频率下运行。
提供了以下实例以更完全地描述本发明。列出以说明发明的原理与实施方法的具体技术、条件、材料、比例和报告资料仅为示例，而不应被认作限制本发明的范围。
实例
15kRPM电气装置的优化前铁厚度对低磁极数目、高频率、15kRPM电气装置进行了优化前铁厚度分析，该装置符合以下规格
该机器包括一个定子和一个转子，为作为15kRPM的主动整流式发电机工作的低磁极数、高频率、三相电气装置。前铁由卷成环形的METGALS 2605SA1非晶金属构成。对带有厚度自1.9至6.4mm不等的前铁的类似100kW功率输出电气装置重复进行该分析，并与不带有这种前铁的装置的特性进行比较。转子由高能量积FeNdB永磁磁体制成，所述永磁磁体安置在使损耗降低的不导电化合物制成的架子中。
如图7所示，预期的线EMF随着前铁的附加急剧下降。这被认为是较薄的前铁饱和的结果。当前铁厚度增加至4mm，线EMF达到相当高的300V最佳值。
图7还表明电感常数(KI)随着前铁厚度的增加而不断增加。这被认为是前铁提供的磁通路线将定子相绕组连接在一起的结果。作为比较，对于该通量不带有前铁的装置的“开放末端”构造提供了更高的磁阻。电感为电磁分析软件对负载(扭矩)下的装置计算的平均电感。电感常数在有前铁的情况下作为施加的电流的函数变化。
引入前铁的一个重要动机是降低装置的总损耗。图8示出了装置的损耗和损耗密度作为前铁厚度的函数的曲线。意外的是，装置的总损耗可降低至起初的40％，主要是因为涡旋电流引起的转子磁体中的损耗的降低。这继而降低了机器的总无用损耗密度(W/cm2)，因而升高了有用功率、扭矩和速度，而机器的大小不需要有任何增加。尽管有附加的前铁损耗和增加的轴向长度因而增加的表面积的影响，引入前铁仍可获得较低的损耗，这些因素包括在损耗评估内。随着EFM的改变，对于100kW的恒定功率，电流也将变化，继而使得欧姆损耗变化。
图9表明功率因子随着前铁厚度升高而降低，原因是电感的增加，这是增加前铁的不利结果。然而，效率因磁体涡旋电流损耗中的降低而显著提高。图10表明，当前铁厚度增加时扭矩变动减小。然而，扭矩波纹随着前铁厚度的增加而存在增加。这些因素优选在优化前铁厚度和装置性能时加以考虑。
对于低磁极数、高频率、15kRPM的电气装置，发现最佳前铁厚度落在4-5mm的范围。前铁的增加使得转子发热更低，将发热从高达约16kW降低至约2kW。前铁的增加还使得效率更高。4mm厚的前铁用现有工艺很容易生产。
以上以相当完整的细节对本发明作出了说明，应当理解不需要遵循这些细节，而熟练的技术人员可想到各种变化和改进。例如，虽然本文大体说明了轴向气隙电机，但也可依照本文公开的原理设计其他类型的电机，例如径向气隙电机或线性机器。此外，电机可包括除永磁机器以外的多种类型的电机，例如感应机器、同步机器、同步磁阻机器、开关磁阻机器以及dc电磁机器。此外，其他类型的转子和/或定子绕线方案也在本发明的范围以内。这些改进也相应被认为包括在本发明的范围内，如附加的权利要求所限定的。
权利要求
1.电动机器，包括(a)至少一个定子组件，该定子组件包括后铁部分和多个齿部分，所述定子组件具有位于每相邻的一对所述齿部分之间的槽和绕在所述槽中的定子绕组；(b)前铁部分；以及(c)至少一个转子组件，该组件受支撑以围绕轴旋转，且包括多个磁极，所述转子组件被布置和安放以便与所述至少一个定子组件发生磁性相互作用。
2.根据权利要求1的机器，其特征在于，所述机器为轴向气隙装置。
3.根据权利要求1的机器，其特征在于，所述机器为径向气隙装置。
4.根据权利要求1的机器，其特征在于，所述前铁部分为所述定子组件的一部分。
5.根据权利要求4的机器，其特征在于，所述后铁部分、所述多个齿部分以及所述前铁部分中的至少一个由至少一种从非晶金属、纳米晶金属和优化铁基金属合金构成的集合中选出的低铁芯损耗磁性材料构成。
6.根据权利要求5的机器，其特征在于，当在峰值电感水平“Bmax”以激励频率“f”工作时，所述低铁芯损耗磁性材料由小于“L”的铁芯损耗表征，其中，L由公式L＝12·f·B1.5+30·f2.3·B2.3给出，铁芯损耗、激励频率和峰值电感水平分别用瓦特/每千克、千赫兹和特斯拉计量。
7.根据权利要求4的机器，其特征在于，所述前铁部分和所述后铁部分中的至少一个形成为包括所述齿部分的单一结构。
8.根据权利要求1的机器，其特征在于，所述转子组件包括具有多个转子永磁体的转子，所述转子永磁体以交替极性安放并围绕所述转子以大致相等的间隔沿圆周可靠地定位。
9.根据权利要求8的机器，其特征在于，所述磁体为SmCo或FeNdB磁体。
10.根据权利要求1的机器，其特征在于，槽每相每磁极比率的范围为约0.25至1。
11.根据权利要求10的机器，其特征在于，槽每相每磁极比率为0.50。
12.根据权利要求1的机器，其特征在于，其具有至少16个磁极。
13.根据权利要求1的机器，其特征在于，其适合于以自500Hz至3kHz范围的转换频率运行。
14.根据权利要求2的机器，其特征在于，其包括两个定子组件和安放其间的转子组件。
15.构造电动机器的方法，包括(a)提供至少一个包括后铁部分和多个齿部分的定子组件，所述定子组件具有位于每对相邻的所述齿部分间的槽和绕在所述槽中的定子绕组；(b)提供前铁部分；以及(c)提供至少一个受支撑以围绕轴旋转且包括多个磁极的转子组件，所述转子组件被布置和安放成与所述至少一个定子组件发生磁性相互作用。
16.根据权利要求15的方法，其特征在于，所述后铁部分、所述多个齿部分以及所述前铁部分中的至少一个由至少一种从非晶金属、纳米晶金属和优化铁基金属合金构成的集合中选出的低铁芯损耗磁性材料构成。
17.根据权利要求15的方法，其特征在于，所述前铁部分和所述后铁部分中的至少一个形成为包括所述齿部分的单一结构，所述单一结构由包括以下步骤的过程形成(a)螺旋地缠绕所述低铁芯损耗磁性材料的叠片层的环形圈，所述环形圈具有内直径、外直径以及环形圈高度；以及(b)切割多个基本沿着径向方向且从所述内直径延伸至所述外直径的槽，且槽的深度小于所述环形圈高度。
18.根据权利要求15的方法，其特征在于，所述前铁部分通过螺旋地缠绕所述低铁芯损耗磁性材料的叠片层的环形图形成。
19.根据权利要求1的电动机器，其特征在于，还包括连接和控制机器并可操作地连接在其上的电源电子电路装置。
全文摘要
一种转动的电动机器，例如电动机、发电机或再生式电机，包括定子组件，该定子组件包括后铁部分、多个定子齿部分以及前铁。该电动机器具有轴向气隙构造。此外，该电机具有可以以高效率、高功率密度和降低的转子发热工作在高转换频率下的高磁极数。该电动机器中采用的低损耗材料包括非晶金属、纳米晶金属、优化铁基合金以及优化晶粒取向铁基材料或非晶粒取向铁基材料。
文档编号H02K1/02GK1973417SQ200480035477
公开日2007年5月30日 申请日期2004年10月6日 优先权日2003年10月6日
发明者B·C·西蒙斯, A·D·希策尔 申请人:莱特工程公司