高频电动机或者发电机的制作方法

专利名称：高频电动机或者发电机的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及电动机、发电机，以及再生式电动机。在本文中术语再生式电 动机指既可作为电动机工作也可作为发电机工作的装置。更具体地，本文涉及包括一种定 子装置的电动机、发电机，或者再生式发电机，所述的定子装置本身包括多个单个的电磁组 件，其中每个独立的电磁组件包括一个用薄膜软磁材料形成的相关联的整体式磁芯。本文 揭示一种包括用薄膜软磁材料形成的磁芯的高频电动机或者发电机。
背景技术：
电动机和发电机工业不断地寻求提供提高效率和功率密度的电动机和发电机的 方式。现在有时人们认为用永久的超级磁体转子(例如钴稀土磁体和钕铁硼磁体)和包括 有薄膜软磁材料形成的磁芯的电磁体的定子构成的电动机和发电机，具有潜力可提供较常 规电动机和发电机更高的效率和功率密度。而且，由于用薄膜软磁材料形成的磁芯能够较 常规的铁芯材料更快地响应磁场的变化，用薄膜软磁材料形成的磁芯具有潜力允许电动机 和发电机内部能够更快的磁场切换，并且因此使得相较于传统铁芯，电动机和发电机速度 更高且更好地受控。然而迄今为止，事实证明提供易于制造的包括用薄膜软磁材料形成的 磁芯的电动机或发电机十分困难。而且，迄今已经揭示的构形没有充分地利用这些潜在地 更加有效的材料在某些应用中的能力。诸如非晶体的金属之类的薄膜软磁材料通常供应于一均勻带宽的连续薄带中。过 去，通过把非晶体金属带辊轧成卷材，对卷材退火，然后用诸如环氧树脂之类的粘合剂浸渍 和封装形成非晶体的金属芯。然而，该材料是非常硬的材料，使之非常不便于切割或成型， 尤其是它一旦叠层压为块件以后。还有一旦退火以达到峰值磁性以后，这些材料变得非常 脆。这使用常规的方法构成磁芯非常的困难和昂贵。非晶体的金属磁芯的另一个问题是，受到物理性应力时，非晶体的金属材料的导 磁率下降。视在非晶体的金属材料上的应力强度而异，导磁率的下降可以是很大的。当非 晶体的金属磁芯受到应力，磁芯引导和聚集磁通量的效率降低，导致高磁损耗、效率降低、 产热增加、以及功率降低。该现象称为磁致伸缩，并且可以由在电动机或者发电机运行时的 磁力造成的应力、机械夹卡或者以其它方式把磁芯固定在位而产生的机械应力、或者热膨 涨和/或由于非晶体的金属材料的磁饱和引起的膨涨造成的内应力引起。
在授予本申请人并且都收入本文作为参引的两篇美国专利5，982，070和 6，259，233中，讨论了某些构成电动机和发电机的方法和结构。在这些后文分别称为专 利’ 070和专利’ 233的专利中，多个非晶体的金属芯件支持在一个介电壳内，以形成一个总 体的非晶体的金属芯。授予Mischler等人的另一篇美国专利4，255，684说明了另一种使用 非晶体的金属材料的电动机结构。尽管这些方法使用非晶的金属芯构成电动机和发电机， 但是有一些与这些方法相关联的内在的问题。例如，使用多个芯件形成总体的磁芯意味着 在邻接的芯件之间有附加间隙，在磁通流经磁芯时磁通必须跨越这些附加的间隙。这些附 加间隙发生在磁通必须从一件或者一层芯材通过到另一件或者一层芯材的任何点。尽管可 以通过把各种芯件制造成具有非常紧密的容差，而把所述的间隙做得非常地小，并且可以 用环氧树脂填充，但它们还是造成附加损耗，与没有这些间隙的磁芯相比较，这在磁通流经 该磁芯时降低了效率。除了附加间隙问题以外，’ 070专利和’ 233专利使一直按适当的方位定向非晶的 金属磁性材料较为困难。这对于这些专利中揭示的径向间隙装置尤其是这样。薄膜软磁材 料的适当定向对于最大化磁通能够流经芯材料的效率是重要的，因此对于提高装置的效率 是重要的。在’ 070专利和’ 233专利中揭示的轴向间隙构形的情况下，轴向间隙装置的物理构 形使得保持转子与定子之间的适当的气隙较为困难。因为磁力沿装置的旋转轴线轴向地作 用，必须使用具有非常紧的容差的昂贵的轴承以支持并固定转子于适当位置。还有，支持定 子的壳体材料必须能够耐受这些非常高的轴向力，而在装置的寿命期间没有形变。而且，因 为定子和转子支持构件是基本上为圆盘形的构件并且大体上是平面的，它们易于因大的轴 向磁力和因装置的正常运行中普遍产生的温度改变引起的内部应力而翘曲或者变形。随着 考虑越来越大的轴向间隙装置，转子和定子之间的磁力越来越大，并且进一步加重该问题。

发明内容
本发明提供改进的方法和结构，以提供使用由薄膜软磁材料形成的磁芯的电动 机、发电机和再生式电动机。本发明还提供改进了的电动机、发电机，和再生式电动机构形， 其可更加充分地利用与使用由薄膜软磁材料形成的磁芯相关联的潜在益处。如后文将更详细地说明，在本文中揭示用作电动机、发电机，或者再生式发电机等 装置中的定子装置的一部分的磁芯。还揭示了使用所述磁芯的定子装置和制造该定子装置 的方法，以及使用所述定子装置的装置和制造所述装置的方法。所述装置和定子装置包括 多个可独立地赋能的电磁组件，同时每个独立的电磁组件包括一个由薄膜软磁材料形成的 相关联的整体式磁芯。每个独立的电磁组件设有两个位于整体式磁芯相反端的定子磁极。 每个整体式磁芯为与每个独立的电磁组件相关联的两个相反的定子磁极体提供磁通量回 路。在一个实施形式中，所述的装置是径向间隙装置，并且由薄膜软磁材料形成的磁 芯是U形的，同时定子磁极位于U形磁芯的腿的端部。在该实施形式的一个例子中，薄膜软 磁材料是纳米晶体材料。根据本发明的另一个方面，每个独立的电磁组件可以独立地拆卸 和更换。还有，所述的装置可以是多相的装置，并且所述的装置可以是开关磁阻装置、感应 装置、或者永磁装置。
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在另一个实施形式中，所述的装置是高频装置。在此实施形式中，所述装置包括 一个转子装置，所述转子装置受支承可绕一给定的旋转轴线以一定的标称运行转速范围旋 转。转子装置包括多个与定子磁极磁性地相互作用转子磁极。转子磁极受支承可绕旋转轴 线沿圆形路径转动。所述的装置还包括用于控制电磁组件开关装置。所述开关装置构形为 使开关装置在至少部分的标称工作转速范围内运行所述装置时，可使电磁组件的定子磁极 与转子装置的转子磁极以至少每秒钟500周的频率磁性地相互作用。在该实施形式的一个 变例中，转子磁极的数量设为所述开关装置引起电磁组件的定子磁极与转子装置的转子 磁极磁性地相互作用，使得在装置的运动过程中，所述装置的以每秒周期计的频率与所述 装置的每分钟转数的比大于1比4。在另一个实施形式中，所述的装置是径向间隙装置，并且电磁组件包括U形的整 体式磁芯，所述磁芯形成为使每个电磁组件的定子磁极位于U形磁芯腿的端部。电磁组件 绕转子磁极的圆形路径设置。每个电磁组件定位为每个电磁组件的两个定子磁极彼此相 邻地定位，并且沿与装置的的旋转轴线平行的线相互成一条直线。在该实施形式的一个变 例中，转子磁极是由相邻的永磁体段对形成的转子磁极对，所述的永磁体段形成相反磁极 性的转子磁极。每对永磁体段设置为两个永磁体段彼此邻接，并且沿与装置的旋转轴线平 行的线相互成一条直线，从而在转子绕装置的旋转轴线转动时，两个永磁体段确定两个绕 装置的旋转轴线的相邻的圆形路径。每两个相邻圆形路径中每一个面对每个电磁组件的其 中一个相关的定子磁极。在此变例中，转子装置包括至少36对相邻的转子磁极，而定子装 置包括至少48个电磁组件。定子磁极可以安排得面向内朝向装置的旋转轴线，或者可选择 地，可以安排得面向外背离装置的旋转轴线。在本文中说明了一种薄膜软磁材料。本领域内普通技术人员非常熟悉有关磁性材 料的术语“薄膜”和“软”的意义。现在Honeywell公司销售的METGLASSTM牌现在是一种薄 膜软磁材料的商品名。术语“薄膜”通常指称厚约5. OSxlO-3Cm或者少于5. 08xl0_3cm(即厚 约2/1000英寸或少于2/1000)。但是这仅是一个近似值，也可以考虑较厚的软磁材料。与 设置磁极的硬磁材料相比，术语“软”指其磁极易于操作或者切换的材料。


从下面参照附图对本发明的优选实施例的说明中可以很好地理解本发明，在附图 中图1是根据本发明设计的装置的示意性截面图，包括转子装置和具有多个电磁组 件的定子装置。图2是沿图1的线2-2的图1的装置的截面图。图3是根据本发明设计的装置的另一个实施形式的示意性截面图，包括转子装置 和具有多个电磁组件的定子装置。图4是沿图3的线4-4的图1的装置的截面图。图5是用于形成根据本发明的整体式磁芯的薄膜软磁材料线圈的示意性侧视图。图6是两个定子磁极构形的示意性平面图。
具体实施例方式参见附图，在全部附图中相同的部件用相同的标号标示，首先参见图1和2。图1 示出根据本发明设计的装置100的截面图。尽管在本说明的中不同处把装置100称为电动 机或者发电机，然而应当理解，视使用装置100时的不用应用要求而异，装置100可以采取 电动机、发电机、交流发电机，或者再生式电动机的形式。为了便于说明，术语再生式电动机 指既可以指作为电动机运行的装置也可以作为发电机运行的装置。而且，尽管下面大多数情况下，将装置100作为直流无刷电动机进行说明，应当理 解，其也可采取各种其它类型电动机和/或发电机的形式，而仍然在本发明的范畴内。所述 其它类型的电动机和/或交流发电机/发电机包括但是不限于直流同步装置、各种磁阻或 者开关磁阻装置，和感应式电动机。这些不同类型的装置的具体差别对于本领域内普通技 术人员是公知的，因此不详细地说明。例如，尽管装置100在大多数情况下以使用永磁体作 转子磁极的直流无刷电动机进行说明，但是应当理解，在开关磁阻装置或者感应装置中转 子磁极不是永磁体。相反，这些装置的转子磁极也可能由其它磁性材料的凸起来提供，所述 其它磁性材料的凸起由诸如铁或者优选地薄膜软磁材料之类的材料叠层形成，如同在下文 中称作为本发明的定子芯材料那样。在图1中清楚地示出，装置100包括转子装置102和定子装置104。在该实施形式 中，装置100采取毂式电动机/发电机的形式，且转子装置102绕装置100的外圆周定位。 定子装置104位于转子装置102的内侧。图2是沿图1的线2-2的装置100的截面图，在 图2中可以清楚地看出，转子装置102由轴承110支承，从而转子装置102可以绕定子装置 104旋转。气隙108把转子装置102与定子装置104分离开。尽管图示装置100使用轴承110支承转子装置102，以绕定子装置104和轴线106 旋转，但这不是必须的。相反，应当理解，可以利用任何其它适当的和容易得到的结构支承 转子装置102，而仍然在本发明的范围。还有尽管装置100说明为毂式电动机/发电机，但 是这不是本发明所必须的。相反，如下文还要更加详细地说明那样，所述的装置可以是任何 类型的电动机、发电机，或者再生式电动机，只要所述装置包括多个具有用薄膜软磁材料形 成的磁芯、同时电磁体按照本发明构形的定子装置。参照图1和图2，下面更加详细地说明转子装置102。在此实施形式中，装置100 是径向间隙型装置，并且转子装置102包括48对径向邻接的永磁体段112。永磁体段112 可以是超导磁体，譬如钴稀土磁体，或者任何其它适当的和容易得到的磁性材料。48个磁 体段对112中每一对包括取向形成转子北极112a的第一磁体段和取向形成转子南极112b 的第二磁体段。如图2中所示，北极112a与南极112b相邻接设置，使这两个永磁体段沿平 行于装置的旋转轴线的直线相互成一条直线。以此取向，在转子装置绕所述装置的旋转轴 线转动时，每个磁体对112的两个永磁体段112a和112b确定两个绕装置100的旋转轴线 106的相邻的圆形路径。如图1中清楚地示出，该48个磁体对沿转子装置102的内圆周设 置，面对气隙108，同时每个相继的对反向设置，从而所有相邻的磁体段绕整个转子装置，沿 由磁体段112对确定的这两个圆形路径，从北极到南极交替。尽管磁体112说明为永久的超导磁体，但是这不是必须的。可选择地，磁体可以是 其它磁性材料的，或者在某些情况下可以是电磁的。而且，尽管所说明的转子包括48个磁 体对，应当理解，转子可以包括任何数量的磁体对，而仍然在本发明的范畴内。并且，最后，尽管所说明的转子装置包括磁体，但是这不是必须的。例如，在开关磁阻电动机或感应式电 动机的情况下，转子装置102就根本不包括磁体。相反，如本领域内普通技术人员所理解， 转子装置可以用铁基材料或者某些其它材料构成，譬如用薄膜软磁材料构成，以形成由定 子装置的切换产生的旋转磁场所驱动的转子磁芯。在此实施形式中，定子装置104包括48个独立的电磁组件114。每个电磁组件 114包括一个相关联的由纳米晶体的、薄膜软磁材料材料形成的整体式磁芯116，和一对线 圈118。在图2中可以清楚看到，每个整体式的磁芯116都是U形，同时线圈118绕U形磁 芯116的腿设置。用该构形，每个独立的电磁组件设有两个位于整体式磁芯的相反端的两 个定子磁极120a和120b。如图1所示，电磁组件114绕转子磁极的圆形路径设置。从图2 中可清楚看到，每个电磁组件114设置为使每个电磁组件的两个定子磁极120a与120彼此 相邻定位，并且这两个磁极沿平行于装置的旋转轴线的直线相互成一条直线。这把每个电 磁组件的两个定子磁极置于面对气隙108并且与磁体段对112a和112b为面对的关系。尽管所说明的磁芯116为由纳米晶体的薄膜软磁材料形成，但这不是本发明必须 的。相反，可以使用任何薄膜软磁材料。这些材料包括但是不限于总体上称为非晶体金属 的材料、与用某种方式处理以进一步降低材料的晶体结构尺寸的纳米晶体材料在元素合金 成分上类似的材料、以及任何其它与非晶体金属和纳米晶体材料有类似的分子结构的薄膜 材料，而不论用于控制材料的分子结构的尺寸和取向的具体处理是怎样的。还有，尽管所说明的电磁组件114包括一对位于U形磁芯116的腿上的一对线圈， 但是这不是本发明必须的。相反，该线圈可以是位于U形基底的单个线圈、沿磁芯的整个长 度走行的单个线圈、或者其它任何使用一个或多个线圈的所要求的构形。如图1所示，所述 线圈可以是绕在U形磁芯的每个腿的一端上的渐缩线圈。这种构形使得能够在一端上有较 大的匝数，以更加充分地填充在较远离旋转轴线的区域中于磁芯之间留有的较大间隙。而 且，这些线圈可以直接绕制在磁芯件上，或者，可选择地，线圈可以与磁芯件分开形成，绕在 绝缘物上，或者用其它方式绝缘设置，再在电磁组件的组装过程中滑动地套在磁芯上。根据本发明的一个方面，每个整体式的磁芯116提供与每个独立的电磁组件114 相关联的两个相反的定子磁极120a和120b的整个磁通量回路。这种构形不再需要传统类 型的磁性地互连所有定子磁极的磁芯材料的护铁(back iron) 0由于不再需要所有定子磁 极共用的护铁的，与使用包括磁性互连定子磁极的共用护铁的常规构形的尺寸类似的装置 相比较，降低了装置的重量。电磁组件114可以使用任何常规的把元件固定在位的方式机械地固持在适当位 置。例如，电磁组件114可以使用导热、介电的环氧树脂之类的封装材料罐装或者封装成一 个完整的整个的定子。然而，每个电磁组件也可以单独地封装成楔形件，譬如图1中所示的 楔形件122。然后可以借助图2中位于电磁组件的每一侧以支承件122的元件124等圆盘 形结构元件把这些楔形件组装成一个整个的定子。可选择地可以使用任何适当的和容易得 到的结构支承所述楔形件，而仍然落入本发明的范畴中。因为每个电磁组件114可以提供为包括其自身的整体式磁芯的独立组件，所述整 体式磁芯提供相关联的电磁组件定子磁极的整个磁通量回路，这些组件可以构形为使之易 于拆卸和更换。例如，如上所述，每个电磁组件可以独立地封装并且再组装成一个整个的定 子。这使得任何给定的电磁组件都相对易于拆卸和更换。这种相对易于更换电磁组件的能力提高了装置的可维修性。而且，这种模块式的方法使得具体的电磁组件构形可以用于各 种装置的设计中，从而潜在地改善使用该方法或得规模的经济状况。尽管所说明的电磁组件是封装的，但是这不是本发明必须的，相反，可以组装电磁 组件并且然后简单地夹卡在位，而不使用封装。因此，应当理解，可以使用任何公知的方法 把电磁组件固定在其各自的位置。如上所述，装置100包括确定48对定子磁极的48个电磁组件。装置100还包括 确定相应的48对转子磁极的48对磁体段。在该实施形式中，定子装置104接线成单相装 置。就是说，每个电磁组件都串连地接在一起，如图1中用电线126所示。而且，该装置具 有1比1的定子磁极对转子磁极比。尽管所说明的本实施形式的定子磁极对转子磁极比为 1比1，但是这不是本发明所必须的。相反，该装置可以是多相的装置，或者是具有任何所要 求的定子磁极对转子磁极比的装置。尽管所说明的装置100为，转子装置绕所述装置的外圆周，且定子装置位于转子 装置的内侧，但是这不是本发明所必须的。相反，定子装置可以绕装置的外圆周，而转子装 置位于定子装置的内侧，如图3和4所示。这些图中示出包括转子装置302和定子装置304 的装置300。如图4中清楚地所示，定子装置304包括48个电磁组件306，除以相反的方向 取向外，所述的电磁组件306使用与装置100所使用的磁芯相同的磁芯。每个电磁组件306 还包括线圈308。除了以相反的方向渐缩，从而在U形磁芯116的每个腿的基底设有更多 的线匝外，线圈308与装置100中使用的线圈相同。由于其面向内的取向，这使得与U形磁 芯的端部相比，线匝可以更加充分地填充在U形腿的基底的较大的间隙中。为了图示的目 的，装置300设定为定子磁极与转子磁极比为4比3的四相装置。如图3中所示，电线310 每隔四个电磁组件串连地连接，以产生4组12个电极组件，形成四相装置。而且，转子装置 302只包括36对转子磁体段，而不是在装置100中所说明的48对。如本领域内普通技术人 员所周知，这种构形降低了在单相装置中流行的阻滞效应，并且与单相的装置比较，在整个 装置的旋转中输送更为一致的转矩。现在参见图5，下面更加详细地说明图1至4中所示的具体实施形式的磁芯116的 具体构形。每个独立的整体式磁芯116通过把薄膜软磁材料的连续带卷绕成所要求的形状 而形成。在磁芯116的情况下，所述形状是大体上卵圆形状，如图5中的线圈500所示。因 为诸如非晶体金属或纳米晶体材料之类的薄膜软磁材料通常为薄带形式(例如薄于1密耳 厚)，线圈500可以由数百匝材料制成。一旦卷绕成所要求的形状，线圈500可进行退火以 产生所要求的磁特性，然后用薄层粘着材料浸渍和封装。一旦退火后，这些材料非常地硬并 且通常非常地脆，使它们有些难于机加工。在图5中所示的实施形式中，线圈500切割成两 个U形件，每个U形件提供一个上述的整体式磁芯116。如上所述，这种构形的一个优点是，当组装成一个上述的电磁组件时，每个整体式 磁芯提供由U形磁芯的腿形成的两个定子磁极的整个磁通回路。这不再需要磁性地相互连 接每个定子磁极的护铁。这种构形的另一个优点是在整体式磁芯内部没有附加间隙。而且， 这种构形把薄膜软磁材料层沿将磁通导向通过磁芯的适当方向取向。尽管说明了用薄膜软磁材料卷绕磁芯件，这不是必须的。相反，磁芯可以通过叠迭 各个成形的条形材料形成任何所要求的形状而形成。而且，各个条可以一个摞一个地叠放， 且每件具有相同尺寸和形状的，或者，可选择地，各个条可以并排地叠放，同时各个件具有不同的尺寸和形状。这些不同的方法使得能够形成更多的各种具体形状。如本领域内普通技术人员所公知，当对薄膜软磁材料进行退火时，薄膜软磁材料 可以具有沿其最有效地引导磁通的方向。对于薄膜软磁材料带，这个方向通常为沿所述带 的长度或跨带的宽度。通过使用上述的适当的方法形成每个磁芯，磁芯可形成为使材料总 是取向为使磁通沿之最有效地弓I导磁通的材料的方向穿经所述件。装置100和300还包括图1和3中所示的开关装置550，用于以交替的极性分别地 致动和停用线圈118和线圈308。开关装置550可以是任何可以动态地致动和停用电磁组 件114和306的适当的和易于得到的控制器。优选地，开关装置550是以远高于在常规电 动机和发电机中通常速率进行致动和停用电磁组件的可编程控制器。这是因为可以在薄膜 软磁芯中可以切换的磁场的固有速度。根据本发明的另一个方面，装置100和300包括非常高磁极数的定子和转子装置。 如下面将详细地说明那样，与使用由薄膜软磁材料形成的磁芯的现有技术电动机/发电机 相比较，这种高极数结构具有几个基本的且意想不到的优点。如本发明背景部分中参引的 现有技术专利中所指出，现有技术已经说明了使用由非晶体金属膜形成的磁芯。然而这 些电动机为使用非晶体金属材料的高频能力的低磁极数的电动机，提供非常高转速的电动 机。本发明以新颖的方式利用这种高频能力。取代使用高频产生高转速，本发明把由薄膜 软磁材料形成的磁芯的高频能力与特别高的磁极数相结合。这种结合提供了在保持易控制 转速的同时，具有极高功率密度的装置。尽管现有技术装置可能能够达到与本文所说明的装置相当的功率密度，但现有技 术装置通过提供非常高的转速得到高的功率输出。这意味着对于许多不要求高转速的应用 来说，必须使用减速齿轮，使使用减速齿轮的整个系统损失效率。在许多情况下，根据本发 明的这个方面设计的装置，不再需要减速齿轮，从而提高了使用所述装置的整个系统的效 率。而且，由于本发明的装置能够在以比以前低得多的速度工作时输出较高的功率密度，这 些装置不受到高转速装置产生的极端的离心力。这使得与高转速的装置相比，根据本发明 的装置生产更加可靠和经济。除了以相对低的转速提供非常高的功率密度的优点以外，根据本发明设计的装置 提供另一个意料不到的优点。假定连接区域保持恒定，就是说，假定定子磁极与转子磁极 之间存在的实际物理区域保持恒定，增加磁极数实际上降低了整个电磁组件所需要的材料 量。这示于图6中，图6为示出两个不同的定子磁极构形的示意性平面图。在左边，一个方 形定子磁极装置600包括一个定子磁极602和绕在定子磁极周边的线圈604。在图6的右 边，定子磁极装置606包括4个较窄的矩形磁极608a-d和相关联的绕在每个定子磁极周边 上的线圈610a-d。在此例中，定子磁极602的面积等于定子磁极608a-d的总面积。然而， 因为每个线圈610a-d只需要产生磁链的四分之一，装置606的每个线圈610a-d与线圈604 相比，只需要具有线圈的四分之一，以提供大致同定子磁极装置600相同的总磁链。如图6中所示，两个装置600和606的总宽度W是相同的。而且，沿这两个结构的 定子磁极的侧面线包的面积是相同的，因此体积是相同的，如两个装置的线圈的画交叉阴 影线的部分所示。然而，如在图6中清楚地示出那样，在装置606中在定子磁极上方和下方 的线圈的厚度T2，并且因此其面积和体积，减小至装置600的厚度T1的四分之一。这显著 地降低与装置相关联的总体材料成本的权重。还有，因为每个定子磁极的面积按因数四降低，如果所述装置是包括磁性地互连定子磁极以提供磁通回路的护铁，护铁所需要的厚度 也按因数四降低。因为这些高磁极数的装置提供与具有相同磁链面积的低磁极数的装置的 相同的转矩，这种所需要材料量的降低显著地降低了与高磁极数装置相关联的重量、尺寸 和材料成本。上面所说明的设计本发明高频/高磁极数装置的一般方法，下面将以具体例子更 加明确地指出该方法的优势。在第一例中，参照图1和2，说明具有前述的构形的永磁电动 机。该构形把转子放在接近装置的外周边外部，这为给定尺寸的装置提供尽可能大的转矩臂。在此第一例中，电动机设计得具有约8英寸的总直径和约4英寸的总宽度。而且， 使用48对磁体段形成转子磁极，并且使用48个电磁组件。每个U形的芯件都用具有0. 150 英寸带宽的纳米晶体材料形成，从而给出整体式U形磁芯总厚度为约0. 150英寸。对于本 例，整个U形磁芯约2又1/4英寸宽、1又3/4英寸高，且U形芯的每个腿从U形芯的基底突 起约3/4英寸，并且U形芯的两个腿之间的间隔约1/4英寸。这样的构形使得两个定子磁 极具3/4英寸的长度并且具有约1英寸宽乘0. 150英寸厚的定子磁极面面积。在此例中， 通过沿所述腿的整个3/4英寸长度在每个腿上绕两层18号(18-gauge)线，在U形芯的每 个腿上形成线圈。这产生约1/16英寸的线圈厚度，使用超导磁体形成转子磁极，且每个磁 体段约3/16英寸厚和1英寸宽，同时每个磁体段具有沿转子的旋转路径方向的约1/3英寸 的磁体跨度。这个构形使整个装置具有约3又1/2英寸转矩臂而重量仅约20磅。因为上述的装置使用薄膜软磁材料形成定子磁芯，该装置设计为以至少达1500Hz 的频率有效地工作。而且，因为使用48对磁体，同时每个圆形路径具有48个极性上从北极 到南极交替的磁体段，转子每旋转一圈该装置将行经24个周期。因此，当以每秒1500周工 作时，该装置将以每秒62又1/2转的转速工作，也就是3750RPM。这得出大于现有技术装置 的比数为0.4的非常高的频率(1500Hz)对RPM(3750)比。该频率与RPM之比是易于确定 的比率，并且本发明装置的比率可以区别于现有技术的装置。基于所证明的磁性成型方法和对于本发明构建的具体部件和装置的试验结果，按 照上述规格构成的电动机期望提供以下的性能特征。如上所述，该电动机在0-1500HZ的频 率范围工作，并且以0-3750RPM范围的速度旋转。且该电动机仅重约20磅。峰值转矩期望 为约70英尺磅，而连续转矩约50英尺磅。峰值马力在3750RPM约53HP，而该电动机期望在 3750RPM产生约35HP的连续马力输出。如从这些结果可见，按照本发明设计的装置能够有 非常高的功率密度。尽管上面说明的装置具有48个磁体对和48个电磁组件，但是这不是必须的。事 实上，用于某些应用的本发明优选实施例中，可以在较大直径的装置中使用较高磁极数。例 如，在根据本发明设计、并且设计用作毂式电动机以直接驱动车轮的电动机的情况下，电动 机的总直径可以相当大，并且磁体和电磁体的数量可以很多。为了阐述这一点，下面将简短 地说明用于驱动车轮的毂式电动机的优选实施例。在此实施例中，毂式电动机将设计为具有15英寸的总直径，这是普通车轮的尺 寸。基于这个车轮尺寸，该直接驱动毂式电动机的实施形式设计为以约1500RPM工作，因为 这会为给定车轮尺寸的车辆提供适当的最高速度。还有如上所述，该电动机将设计用于在 1-1500HZ的频率范围内工作。对于给定的这些参数，该电动机将具有1比1的频率与RPM 比。而且，对于1比1的频率与RPM比来说，该频率对转速比常规电动机高得多。而且，为
12了简化该装置以单相装置进行说明，该装置将需要每转行经60个周期，需要120个转子磁 极的磁极数，且在此例中需要120个电磁组件。使用与以上对8英寸电动机和图1的装置 100的相同设计，该120个电磁组件要绕的外周边分布，并且这120个电磁组件向外朝面向 转子磁体的方向定位。该构件要提供约7英寸的转矩臂，或者是所说明的8英寸电动机的 两倍。而且，因为每个电磁组件的厚度低于1/3英寸，并且装置在转子和定子之间的气隙处 的圆周约44英寸，存在用于与以上所说明的8英寸电动机完全相同的尺寸和构形的120个 电磁组件的空间。通过放大前述的设计的比例，较大的15英寸装置可提供以下的特性。如上所述， 该电动机在0-1500HZ的频率范围工作并且以0-1500RPM范围的速度旋转。电动机重约50 磅。转矩是8英寸电动机的约五倍，即给出约350英尺磅的峰值转矩，约250英尺磅的连续 转矩。这是因为转矩臂从3又1/2英寸加倍为7英寸，且电磁体的数量从48个变成120个。 因此转矩按2乘120/48的因数，即等于5的因数增加。峰值马力在1500RPM约100HP，而该 电动机应当在1500RPM产生约71HP的连续马力输出。当比较按照本发明设计的装置时，频率对RMP的比提供了易于区别的特征。例如 当前可得到的电动机绝大多数设计用于在50至60Hz工作。这样做的主要原因是这些频 率是AC电网上可得到的频率。然而这样做的另一个原因及以该频率提供AC电源的原因 之一是，这些频率完全在常规的铁芯电机的频率容量之内。这些电动机还经常设计为在约 1800RPM的转速工作。这使得这些类型的电动机的频率与RPM比为60比1800或者说0. 03。即使在特殊铁芯电动机的情况下，频率通常保持在400Hz以下。这是因为铁芯材 料不能够响应如此快速的变化磁场而不引起以热的形式表现的损耗。因此为了保持常规的 电动机和发电机频率较低，这些装置在过去设计为具有较低的磁极数。随着能够以较高频 率工作的新型材料，譬如非晶体金属的出现，趋向在常规的电动机设计中使用这样的新型 材料。这使得这些使用新型的高频材料的装置能够以较高的RPM工作。然而，本发明提供 了一种设计使用高频材料的装置的新方法。取代使用高频材料以得到高速装置，本发明把 高频能力与极高的磁极数相结合提供具有高于现有技术装置的频率转速比的装置。例如， 当频率以每秒周期测度而转速以RPM测度时，按照本发明设计装置将具有高于1比4的频 率转速比。高于0. 25的这种频率转速比提供可以有非常高的功率密度但仍以极易控制的 转速工作的高失速转矩装置。简而言之，本文揭示一种诸如电动机、发电机、和/或再生式电动机之类的装置， 所述装置包括多个可独立赋能的电磁组件。每个独立的电磁组件具有相关联的用薄膜软磁 材料形成的整体式磁芯。每个独立的电磁组件设有两个位于整体式磁芯的相反端部的定子 磁极。每个整体式磁芯提供与每个独立电磁组件相关联的两个相反的定子磁极的整个磁通 量回路。尽管以上说明的实施形式以具有特定相应取向的各种部件进行了说明，应当理 解，本发明可以采取更多种类的具体构形，各种部件以更多种的位置和相互取向设置，而不 偏离本发明的范畴。例如，尽管每个所说明的定子装置为包括一定数量的定子磁极，并且每 个转子说明为包括一定数量的转子磁极，但是这不是必须的。相反，定子装置可以包括任何 要求数量的定子磁极，并且转子可以包括任何要求数量的转子磁极，而依然在本发明的范 畴内。
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另外，本发明所述的装置可以等效地施用于多种类型的电动机和发电机，只要装 置的定子装置包括多个电磁组件，同时每个组件具有用薄膜软磁材料形成的整体式磁芯， 所述的整体式磁芯为该组件提供整个磁通量回路。或者，可选择地，所述装置可以等效地施 用于多种类型的电动机和发电机，只要装置的定子装置包括具有用薄膜软磁材料形成的磁 芯的电磁组件，并且以高于1比4的频率转速比工作。这些发电机和电动机包括但是不限 于DC无刷型、DC同步型、可变磁阻型或开关磁阻型、感应型等其它类型的电动机、发电机和 交流发电机。这些装置还包括单相装置和多相装置。因此，应当认为所提出的例子是阐述 性而非限制性的，并且本发明不限于本文给出的细节，而是可以在所附权利要求书的范围 内修改。
1权利要求
一种选自包括电动机、发电机和再生式电动机的装置组中的装置，其包括至少一个定子装置，所述定子装置包括多个可独立地赋能的电磁组件，同时每个独立的电磁组件包括一个相关联的由薄膜软磁材料形成的整体式磁芯，每个独立的电磁组件设有两个位于整体式磁芯相反端的定子磁极，每个整体式磁芯为与每个独立的电磁组件相关联的所述两个相反的定子磁极提供整个磁通量回路。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的装置是一个径向间隙装置。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述整体式磁芯中每一个都是U形的，且所 述定子磁极位于所述U形磁芯的腿的端部。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述薄膜软磁材料是纳米晶体材料。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述独立的电磁组件中每一个可独立地拆 卸和更换。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的装置选自包括开关磁阻装置、感应装 置、或者永磁装置的装置组。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的装置是一旋转装置，并且所述装置包 括一个转子装置，所述转子装置受支承可绕一给定的旋转轴线以一定范围的标称运行转速 旋转，所述转子装置包括多个与所述定子磁极磁性地互相作用的转子磁极，所述转子磁极 受支承可绕旋转轴线沿一圆形路径转动。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括一用于控制电磁组件的 开关装置，所述开关装置构形为在至少部分的标称工作转速范围内运行所述装置时，所述 开关装置能够使所述电磁组件的定子磁极与所述转子装置的转子磁极以至少每秒钟500 周的频率磁性地相互作用。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述转子磁极的数量设置为所述开关装 置引起所述电磁组件的定子磁极与所述转子装置的转子磁极磁性地相互作用，使得在所述 装置的运行过程中，所述装置的以每秒周期计的频率与所述装置的每分钟转数之比大于1 比4。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的装置是一径向间隙装置，且所述电磁组件包括一 U形整体式磁芯，所述磁芯构形为使所述每个电磁组件的定子磁 极位于所述U形磁芯的腿的端部，所述电磁组件绕所述转子磁极的圆形路径设置，每个电 磁组件设置为每个电磁组件的所述两个定子磁极彼此相邻地定位，并且沿与所述装置的 旋转轴线平行的线相互成一条直线。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述转子磁极是由相邻的永磁体段对形 成的转子磁极对，所述永磁体段中每一对构形形成相反磁极性的转子磁极，永磁体段中每 一对设置为所述两个永磁体段彼此邻接设置，并且沿与所述装置的旋转轴线平行的线相 互成一条直线，使得在所述转子绕所述装置的旋转轴线转动时，所述的两个永磁体段确定 两个绕所述装置旋转轴线的相邻圆形路径，所述两个相邻的圆形路径中每一个面对每个电 磁组件相关联的一个定子磁极。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述转子装置包括至少36对相邻的转子 磁极。
13.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述定子装置包括至少48个电磁组件。
14.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述定子磁极面向内朝向所述装置的旋 转轴线。
15.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述定子装置面向外背离所述装置的旋 转轴线。
16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置是多相装置。
17.一种定子装置，用于一选自包括电动机、发电机和再生式电动机的装置组中的装 置，所述的装置包括至少一个定子装置，所述定子装置包括多个可独立地赋能的电磁组件， 且每个独立的电磁组件包括相关联的由薄膜软磁材料形成的整体式磁芯，每个独立的电磁 组件设有两个位于整体式磁芯相反端的定子磁极，每个整体式磁芯为与每个独立的电磁组 件相关联的两个相反的定子磁极提供整个磁通量回路。
18.一种整体式磁芯，用于一选自包括电动机、发电机和再生式电动机的装置组中的 装置，所述的装置包括至少一个定子装置，所述定子装置包括多个可独立地赋能的电磁组 件，同时每个独立的电磁组件包括相关联的由薄膜软磁材料形成的整体式磁芯，每个独立 的电磁组件设有两个位于整体式磁芯相反端的定子磁极，每个整体式磁芯为与每个独立的 电磁组件相关联的两个相反的定子磁极提供整个磁通量回路。
19.如权利要求18所述的磁芯，其特征在于，所述整体式磁芯是U形的，同时所述定子 磁极位于所述U形磁芯的腿的端部。
20.如权利要求18所述的磁芯，其特征在于，所述薄膜软磁材料是纳米晶体材料。
21.一种用于制造选自包括电动机、发电机和再生式电动机的装置组的装置的方法，所 述的方法包括以下步骤提供多个可独立地赋能的电磁组件，每个独立的电磁组件包括一相关联的由薄膜软磁 材料形成的整体式磁芯，每个独立的电磁组件设有两个位于所述整体式磁芯相反端的定子 磁极，且以每个整体式磁芯为与每个独立的电磁组件相关联的两个相反的定子磁极提供整体 磁通量回路的方式，把所述独立的电磁组件组装成至少一个定子装置。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述的装置是一个径向间隙装置。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述整体式磁芯中每一个都是U形的，且 所述定子磁极位于所述U形磁芯的腿的端部。
24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述薄膜软磁材料是纳米晶体材料。
25.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述独立的电磁组件中每一个可独立地 拆卸和更换。
26.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述的装置选自包括开关磁阻装置、感应 装置、或者永磁装置的装置组。
27.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述的装置是一旋转装置，且所述方法包 括组装转子装置使其受支承可绕一给定的旋转轴线以一定范围的标称运行转速旋转，所述 转子装置包括多个与所述定子磁极磁性地互相作用的转子磁极，所述转子磁极受支承可绕 所述旋转轴线沿一圆形路径转动。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括提供一用于控制电磁组件的开关装置，所述开关装置构形为在至少部分的标称工作转速范围内运行所述装置 时，所述开关装置能够引起所述电磁组件的定子磁极与转子装置的转子磁极以至少每秒钟 500周的频率磁性地相互作用。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述转子磁极的数量设置为所述开关装 置引起电磁组件的定子磁极与转子装置的转子磁极磁性地相互作用，使得在所述装置的运 行过程中，所述装置的以每秒周期计的频率与所述装置的每分钟转数之比大于1比4。
30.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述的装置是径向间隙装置，所述电磁组件包括U形整体式的磁芯，所述磁芯形成为使每个电磁组件的定子磁极位 于U形磁芯腿的端部，且所述组装定子装置的步骤包括组装定子装置使所述电磁组件绕所述转子磁极的圆形 路径设置，且每个电磁组件设置为每个电磁组件的两个定子磁极彼此相邻定位，并且沿与 所述装置的旋转轴线平行的线相互成一条直线。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述转子磁极是由相邻的永磁体段对形成的转子磁极对，且所述组装所述转子装置的步骤包括构形所述永久磁体段对形成相反磁极性的转子磁 极，每对永磁体段设置为两个永磁体段彼此处于邻接的位置，并且沿与所述装置的旋转轴 线平行的线相互成一条直线，使得在所述转子绕所述装置的旋转轴线转动时，所述的两个 永磁体段确定两个绕所述装置旋转轴线的相邻圆形路径，所述两个相邻的圆形路径中每一 个面对每个电磁组件相关的一个定子磁极。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述转子装置包括至少36对相邻的转子 磁极。
33.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述定子装置包括至少48个电磁组件。
34.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述定子磁极面向内朝向所述装置的旋 转轴线。
35.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述定子装置面向外背离所述装置的旋 转轴线。
36.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述装置是多相装置。
全文摘要
一种电动机、发电机、和/或再生式发电机的之类的装置，所述装置包括多个可独立地赋能的电磁组件。每个独立的电磁组件具有一个相关联的由薄膜软磁材料形成的整体式磁芯。每个独立的电磁组件设有两个位于整体式磁芯相反端的定子磁极。每个整体式磁芯为与每个独立的电磁组件相关联的两个相反的定子磁极提供整个磁通量回路。
文档编号H02K3/04GK101976896SQ20101052777
公开日2011年2月16日 申请日期2003年1月29日 优先权日2002年1月30日
发明者拉蒙·A·卡马尼奥 申请人:拉蒙·A·卡马尼奥