包括轴向推力轴承的电机的制作方法

电机。

背景技术：

在电机的设计中，根据预期应用和机器的期望性能特性来选择结构参数诸如槽数是已知的。然而，并非所有的结构参数值都在实践中使用。电机的性能保有提升的空间，特别是在机器人技术方面。

电机通常使用缠绕在软磁性的定子柱(齿)周围的导电线匝来生成通量。这种类型的马达构造的制造过程可能是耗时且昂贵的。同样，此类马达通常具有扭矩质量比，这使得它们在移动的致动器应用中相对沉重，诸如在机器人技术中，其中上游致动器必须支撑和加速下游致动器的重量。

由于转子和定子之间的永磁力高，因此常见的永磁直驱马达可能难以组装。这些高磁力通常需要用于组装的复杂的固定装置，以避免在将转子和定子放在一起时损坏零件和对人员造成伤害。

在许多运动控制设备(诸如机械臂关节)中使用的大直径、低轮廓的轴承通常必须在物理上被保持在外壳中以防止轴承组件分离。与较大直径、较小直径的轴承相比，许多低轮廓的轴承的公差趋于相对较低。此外，轴承通常需要可调节的预载荷，该预载荷通常由螺纹成形或其他类型的构件提供。这很难适配在低轮廓组件中，并且对于薄壁轴承而言尤其具有挑战性。

在常见的轴向通量致动器中，轴承位于转子的磁活跃区段的内径处。这种设置是一种常见的做法，因为将轴承放置在转子的外径处引起更大的拉扯作用，并且随着轴承直径增大，整个轴承轮廓增大。转子od上的轴承也将倾向于限制设备的旋转速度。

为了使单个内轴承与单个转子/单个定子一起工作，转子和定子结构必须加厚以提供更硬的结构以减小偏转，或者必须增大气隙距离以容纳转子和定子偏转。第一种方法导致设备更重且封装更大，这减小了致动器加速度和扭矩密度。后一种方法由于气隙距离更大而导致扭矩减小。

技术实现要素：

发明人已经提出一种特别适用于机器人技术的新的结构参数范围的电机，连同电机的附加新特征。

在一个实施方案中，提供了一种电机。该电机具有定子，该定子具有n个柱。存在转子，该转子安装在轴承上，用于围绕相对于定子的轴线进行旋转运动，转子和定子之间具有气隙。轴承是预加载的轴向推力轴承或预加载的角轴承。预载力至少部分地通过定子和转子之间的磁吸引力来提供。转子具有m个极。n和m具有n和m的最大公约数为4或更大的属性。柱被分成区段，在每个区段中的柱周围的导体中具有共同相位的电励磁，并且在每个区段中存在偶数个柱。

在各种实施方案中，可包括以下特征或其他特征中的一个或多个特征。柱可被分成至少三个区段。n和m两者都可以是60或更大。定子上的导体可进一步包括多相位布线配置。该三个或更多个区段中的每个区段可进一步包括多个有线柱，该三个或更多个区段中的每个区段的有线柱的数量可以是相同的。该三个或更多个区段可进一步包括每相两个或更多个相等排列的区段。该三个或更多个区段可进一步包括每相四个或更多个相等排列的区段。该三个或更多个区段可进一步包括每相六个或更多个相等排列的区段。该三个或更多个区段可进一步包括用于相应相位中的每个相位的恰好四个相等排列的区段。相等排列的区段中的每个区段都可进一步包括四个或更多个有线柱。可存在96个柱和92个极。轴承可进一步包括连接转子和定子的内推力轴承，其中该内推力轴承被布置成允许转子和定子的相对旋转运动。还可以存在连接转子和定子的外推力轴承，其中该外推力轴承被布置成允许定子和转子的相对旋转运动。外推力轴承可以是纯推力轴承。内推力轴承可以是径向定位轴承。内推力轴承可以是径向和轴向定位的。内推力轴承可以是纯推力轴承。外推力轴承可以是径向定位轴承。外推力轴承可以是径向和轴向定位的。内推力轴承可以是径向和轴向定位的。

设备和方法的这些方面和其他方面在权利要求书中阐述。

附图说明

现在将仅以示例的方式参考以下附图以对本发明的优选实施方案进行参考，其中：

图1是示例性致动器的等轴视图；

图2是图1的示例性致动器的分解视图；

图3是图1的示例性致动器的转子的等轴视图；

图4是图1的示例性致动器的定子的等轴视图；

图5是图1的示例性致动器的区段的等轴视图；

图6是示例性致动器的主体沿着图1中的截面a-a的视图；

图7是外轴承和热过盈配合的放大细节视图，示出了图6中的细节c1；

图8是内轴承和安全环的放大细节视图，示出了图6中的细节e1；

图9是具有另选的热过盈配合的示例性致动器的区段的等轴视图；

图10是图9中的示例性致动器的截面视图；

图11是外轴承和热过盈配合的放大细节视图，示出了图10中的细节c2；

图12是内轴承和安全环的放大细节视图，示出了图10中的细节e2；

图13是具有集成轴承座圈的示例性定子板的区段的等轴视图；

图14是具有集成轴承座圈的示例性转子板的区段的等轴视图；

图15是具有集成轴承座圈的示例性致动器的区段的等轴视图；

图16是转子和定子沿着图6中的截面b-b的截面视图，包括磁通量和力的表示；

图17是具有安全环的示例性致动器的主体的视图；

图18是具有滑动轴承的安全环的细节视图；

图19是具有推力轴承的安全环的细节视图；

图20是在安装和拆卸磁体期间转子的特写视图；

图21是转子板区段的局部剖视图；

图22a是具有通量限制孔的转子板区段的局部视图；

图22b是具有另一种布置的通量限制孔的转子板区段的局部视图；

图23是没有通量限制孔的转子板上的femm模拟结果；

图24是具有通量限制孔的转子板上的femm模拟结果；

图25是在id轴承和od轴承之间具有不间断路径的定子板区段的剖视图；

图26是示例性致动器的分解视图；

图27是示出连接到上部外壳和下部外壳的示例性致动器的实施方案的剖视图；

图28是图27中的示例性致动器的分解等轴视图；

图29是图27中的示例性致动器的等轴剖面图；

图30是穿过具有锥形磁体和通量路径限制的轴向通量集中的通量转子的一段的剖视图；

图31是具有延伸长度的磁体的轴向通量集中的通量转子的一部分的特写截面视图；

图32是具有端铁的集中通量转子的轴向通量定子-转子-定子配置的实施方案的简化分解截面视图；

图33是具有护铁、端铁和通量路径限制的集中通量转子的轴向通量定子-转子-定子配置的实施方案的简化分解截面视图；

图34是具有端铁和通量路径限制的集中通量转子的轴向通量转子-定子-转子配置的实施方案的简化分解截面视图；

图35是具有端铁、通量路径限制和护铁的集中通量转子的轴向通量转子-定子-转子配置的实施方案的简化分解截面视图；

图36是具有护铁和通量限制器的线性通量机的简化透视图；

图37是没有护铁且具有通量限制器的线性通量机的简化透视图；

图38是具有交替模式的通量限制器的线性通量机的简化透视图；

图39a示出了在恒定电流密度下对于模拟的一系列马达，扭矩随槽间距和柱高度变化的图形；

图39b示出了在给定温度下对于模拟的一系列马达，定子最高可能电流密度随槽间距和柱高度变化；

图39c示出了对于一系列电机，恒定温度扭矩相对于槽间距和柱高度的函数；

图39d示出了在给定温度下对于模拟的一系列马达，定子最高可能电流密度的加权函数的值随槽间距和柱高度变化；

图39e示出了对于模拟的一系列马达，在固定电流密度下km″随槽间距和柱高度变化；

图39f示出了对于模拟的一系列马达，在固定电流密度下kr″随槽间距和柱高度变化；

图40示出了相对于域中其余的几何形状，对于200mm大小的机器有益于kr″的区域和kr″＞1.3的边界线；

图41示出了相对于域中其余的几何形状，对于200mm大小的机器有益于kr″的区域和kr″＞1.5的边界线；

图42示出了相对于域中其余的几何形状，对于200mm大小的机器有益于kr″的区域和kr″＞1.8的边界线；

图43示出了相对于域中其余的几何形状，对于100mm大小的机器有益于kr″的区域和kr″＞1.5的边界线；

图44示出了相对于域中其余的几何形状，对于100mm大小的机器有益于kr″的区域和kr″＞1.7的边界线；

图45示出了相对于域中其余的几何形状，对于100mm大小的机器有益于kr″的区域和kr″＞1.9的边界线；

图46示出了相对于域中其余的几何形状，对于50mm大小的机器有益于kr″的区域和kr″＞2.2的边界线；

图47示出了相对于域中其余的几何形状，对于50mm大小的机器有益于kr″的区域和kr″＞2.5的边界线；

图48示出了相对于域中其余的几何形状，对于50mm大小的机器有益于kr″的区域和kr″＞2.9的边界线；

图49示出了相对于域中其余的几何形状，对于25mm大小的机器有益于kr″的区域和kr″＞3.3的边界线；

图50示出了相对于域中其余的几何形状，对于25mm大小的机器有益于kr″的区域和kr″＞3.4的边界线；

图51示出了相对于域中其余的几何形状，对于25mm大小的机器有益于kr″的区域和kr″＞3.6的边界线；

图52示出了使用无框架马达/致动器的机械臂的关节；

图53显示了无框架马达/致动器和机械臂的剖视图；

图54示出了无框架马达/致动器定子、转子和外壳组件的截面视图的特写；

图55示出了无框架马达/致动器机械臂组件的分解视图；

图56显示了穿过外壳以查看定子和转子上的突片特征的截面视图；

图57示出了与图56中的突片特征一起使用以固定转子的向上、越过和向下的组件运动的表示；

图58示出了显示用于固定转子的突片特征的截面视图的特写；并且

图59示出了穿过外壳以显示在定子上使用以固定定子的突片特征的截面视图。

具体实施方式

首先将定义整个文本中使用的若干术语。

如此处在电机的上下文中所用的载体当指代旋转机器时可包括定子或转子。

如本文所用的转子可以是圆形的。转子也可指线性马达的电枢或反应轨。定子可以是圆形的。其也可指代线性马达的电枢或反应轨。

齿可被称为柱。

在电机中，定子或转子可具有由缠绕在柱周围的线圈限定的换向电磁体阵列，而定子或转子中的另一者可具有由永磁体或线圈或线圈和永磁体两者限定的磁极。电机可被配置为马达或发电机。

永磁体可与转子和/或定子上的电磁体结合地使用以向系统添加通量。

pm指永磁体。em指电磁体。id指内径。od指外径。

电磁元件可包括永磁体、柱、由磁柱(其可以是软磁柱)限定的槽以及电导体。在一个载体具有槽和柱的任何实施方案中，另一个可具有用于电磁元件的永磁体，并且对于任何此类实施方案，术语电磁元件可由术语永磁体代替。在一些情况下，例如在集中通量转子实施方案中，磁极可由永磁体结合相邻柱限定，其中由永磁体建立磁场。

除非另外指明，否则通量指代磁通量。软磁材料是易感磁并且可暂时磁化的材料，诸如但不限于铁或钢或钴或镍合金。

分数槽马达是具有每相每极的分数数量槽的马达。如果槽的数量除以磁体的数量，并且再除以相位数，结果不是整数，则该马达是分数槽马达。

推力轴承包括布置成支撑大量轴向推力的任何轴承，包括角接触轴承和四点接触轴承以及纯推力轴承。径向定位轴承是在使用中防止由轴承连接的元件的轴线的相对位移的轴承。

轴承可以是径向且推力定位的(诸如交叉滚子轴承)，或者它可以是仅径向的或仅推力定位的。

可由框架或轴承来支撑载体相对于另一载体进行运动，并且轴承可以是滑动、滚子、流体、空气或磁性轴承。

轴向电机是一种电机，其中磁通量链接跨轴向气隙发生，并且载体是以并排方式同轴安装的盘的形式。第一载体可布置成通过由框架、外壳或其他元件支撑的载体相对于另一载体移动，而另一载体相对于第一载体移动。

径向电机是一种电机，其中气隙被取向成使得磁通量被径向取向，并且载体被同心地安装，一个在另一个之外。

线性致动器在构造上与轴向通量或径向通量旋转马达的区段相当，其中运动方向是直线而不是弯曲路径。

梯形电机是一种电机，它是轴向通量机和径向通量机的组合，其中气隙的平面位于由轴向配置和径向配置中的气隙形成的平面之间的角度半途处。

旋转机器的气隙直径被定义为垂直于气隙表面中心处的旋转轴的直径。在径向通量马达中，所有气隙都驻留在相同的直径处。如果气隙表面是如轴向通量马达中的圆盘形状的片，则平均气隙直径是内径和外径的平均值。对于其他气隙表面，诸如对角线的或弯曲的表面，平均气隙直径可按照横截面气隙视图的平均气隙直径建立。

对于径向通量马达，气隙直径指代外转子径向通量马达的转子内径和定子外径的平均值，或者内转子径向通量马达的转子气隙外径和定子气隙内径的平均值。径向通量马达的气隙直径的相似物可用于其他类型的旋转马达。对于轴向通量机，气隙直径被定义为pm内径和pm外径以及em内径和em外径的平均值。

定子的后表面被定义为在处于磁活性气隙处的表面的定子的相对侧上的表面。在径向通量马达中，这将对应于用于外转子配置的定子的内表面或者用于内转子配置的定子的外径表面。在轴向通量马达中，定子的后表面是定子的轴向外表面。

对于分布式绕组，槽的数量将是n乘以极的数量，其中n是相位数的倍数。因此，对于三相机器，n可以是3、6、9、12等。对于集中绕组，槽的数量可以变化，但必须是相位数的倍数。它不取决于极的数量，除了槽和极的某些组合将产生更高的扭矩和更好的降噪或降齿槽特性。用于给定数量的极的槽的最小数量应当不低于50％，以获得足够的扭矩。

导体体积可用于指代单个定子的单位长度的槽面积。槽面积是在正交于齿但不平行于载体的相对运动的平面的平面中槽的横截面面积。在轴向马达中，该平面将垂直于穿过槽的半径。槽面积有效地限定了可结合到定子设计中的最大导体体积，并且使填充系数尽可能地高以利用导体的所有可用空间通常是马达设计者的目标。

由于定子中的最大导体体积是根据槽面积来定义的，因此任何被称为具有最大导体体积或槽面积的定子必须具有槽和齿以限定槽。对于旋转马达，该参数定义为：

其中as是单个槽的横截面面积，或者是具有变化槽面积的定子设计的单个槽的平均面积。

作为相对准确的近似，as可被计算为齿的高度ht乘以槽的平均宽度ws，使得以上方程变为：

槽深度或柱高度也可用作导体体积的替代。柱高度(也称为齿高度或槽深度)是槽中导体可占据的横截面面积的量的替代。尽管槽可具有各种形状，诸如弯曲或锥形轮廓，但是槽高度基于最好地表示可由导体占据的槽的总面积的最接近的矩形近似。该尺寸不包括加入齿高度而不实质性地加入槽面积的特征，诸如极靴。对于横向通量马达，柱高度被定义为柱与导体线圈直接相邻、垂直于线圈绕组的方向的部分。

集中绕组包括单独缠绕的柱或当通电时导致相邻柱产生交替极性的任何绕组配置。应当理解，并非所有柱在任何时候都与两个相邻柱是极性相反的。然而，当马达通电时，集中绕组配置会导致大部分柱在大部分时间对于一个或两个相邻柱是极性相反的。集中绕组是分数槽绕组的形式，其中每相每极的槽的比例小于一个。

本发明设备的实施方案使用集成的轴承座圈，该轴承座圈优选地机加工到定子和/或转子中，其中轴承座圈以及定子和转子柱的至少轴向表面可在同一装置中机加工。这可提供轴承座圈相对于定子和转子柱的轴向和径向位置之间的临界几何关系的非常高的公差制造。这些几何关系的一致性对于设备的一致齿槽和其他性能特性是重要的。

本发明设备的实施方案可允许具有允许在已经组装定子和转子之后将永磁体单独地安装到转子中的转子配置的流线型制造。

由于具有最小数量的部件的非常简单的组件，本设备的实施方案可提供高扭矩密度、制造便易性、组装便易性和可维护性，并且由于允许非常快速的紧急停车的高扭矩惯性比，本设备的实施方案还提供优异的操作安全性。

如图1所示，轴向通量马达110的非限制性示例性实施方案被容纳在上臂构件100和下臂构件200中。上臂构件100和下臂构件200围绕旋转轴300旋转。

在图2中示出了机械臂组件中的设备的非限制性示例性实施方案。上臂构件100包括支撑外壳101。下臂构件200包括臂外壳201。支撑外壳101和臂外壳201优选地由轻质材料制成，所述轻质材料诸如但不限于铝、镁或碳纤维复合材料。

如图2至图5所示，定子102诸如用螺栓和/或粘合剂和/或热配合或者通过与臂一体形成来附接到上臂100。在图2中，定子102使用与环101a的压配合连接到上臂100。外轴承302和内轴承301允许定子102和转子202的相对旋转，并提供定子102和转子202的精确的相对轴向位置以保持定子柱105(图4)和转子柱205(图3)之间的气隙。如图3所示，转子可具有通量限制孔206和永磁体204。永磁体安置在槽208中。

将内轴承301放置在气隙的id之内并且将外轴承302放置在气隙的od之外将定子102和转子202之间的吸引力分布在两个轴承301、302之间以延长使用寿命和/或减轻轴承重量。id和od轴承的使用还减小定子102和转子202上的机械应力，从而允许更薄的横截面和更轻的重量，例如可能用设备的实施方案的高极数来实现。

如图3和图4所示，转子202包括转子板203(图3)，定子102包括定子板103(图4)。如图4所示的定子板103和如图3所示的转子板203可由球墨铸铁制成。永磁体204可以是钕-n52h。许多其他材料可用于各种部件。这些材料仅以举例的方式给出。

转子202被容纳在下臂200中并且诸如用螺栓和/或粘合剂和/或热配合或者通过与臂一体形成来附接。如图2所示，转子202使用与环201a的压配合连接到下臂200。由转子202中的永磁体通量引起的定子102和转子202之间的轴向磁吸引力在轴承301和轴承302上提供轴向预载荷。通过分析和实验已经表明，对于高强度磁体，诸如但不限于钕n52磁体，该轴向力足以保持轴承301、302预加载在定子102和转子202中，并且足以提供足够的轴向力以允许下臂200在所有方向上支撑有用载荷。该载荷可以是臂重量和加速力以及任何方向上的有效载荷的组合。

使用磁力以提供轴承安置力和在轴承上的轴向预载荷允许使用可通过定子和转子的磁吸引力来预加载以在轴向方向上消除轴承间隙的推力载荷和/或角接触轴承。通过使用径向和轴向定位的轴承的组合，在径向和轴向方向上用磁力预加载轴承并且消除用于防止座圈在磁力的相反方向上的移动的对轴承座圈的附加机械保持的需要是可能的。这种预加载可显著减小轴承间隙并增大轴承刚度，使得组件在其移动中变得非常精确。这对于精密应用诸如机器人技术可以是具有优势的。它还可具有减少可能由转子的径向位移引起的不一致齿槽效应的优点。当设备具有大量的非常小的齿槽台阶时，诸如对于本设备的实施方案，这可能是尤其重要的。

图5至图8中示出了在不需要在两个轴承上对两个座圈进行机械保持的情况下的轴向预加载座圈的非限制性示例。定子包括定子板103。定子板103包括限定内轴承沟槽的内轴承座圈111和限定外轴承沟槽的外轴承座圈112。转子包括转子板203。转子板203包括限定内轴承沟槽的内轴承座圈211和限定外轴承沟槽的外轴承座圈212。转子板203可使用协作件231和协作件232之间的压配合连接到转子外壳201。类似地，定子板103可使用协作件131和协作件132之间的压配合连接到定子外壳101。外轴承元件322(在该非限制性示例中为交叉滚子轴承)夹在两个外轴承沟槽112、212之间，使得定子102和转子202之间的轴向磁吸引力消除轴承301中的轴向和径向间隙。内轴承元件321(图6)夹在两个内轴承沟槽111、211之间。在该非限制性示例性实施方案中，轴承301是具有轴向和径向定位刚度的交叉滚子轴承。因此，由转子202中的磁体204提供的转子和定子的轴向预加载得到定子102和转子202在轴向和径向方向上的精确相对位置。在不需要在定子和转子之间的磁吸引力的相反轴向方向上进行机械或粘合的轴承座圈保持的情况下实现这种精确定位。

参考图6，轴向通量马达110可具有所示的设计。外轴承302和内轴承301允许定子和转子的相对旋转，并提供定子和转子的精确的相对轴向位置以保持定子柱105和固持磁体204并为由磁体提供的磁场提供通量路径的转子柱之间的期望气隙。转子可具有通量限制孔206和磁体204。在气隙的id之内使用轴承并且在气隙的od之外使用第二轴承将定子和转子之间的吸引力分布在两个轴承之间以延长使用寿命和/或减轻轴承重量。id和od轴承的使用可减小定子和转子上的机械应力，从而允许更薄的横截面和更轻的重量，例如可能用设备的实施方案的高极数来实现。

在图3和图4所示的非限制性示例性实施方案中，存在96个定子柱(对应于96个槽)和92个转子柱，具有三相位布线并且定子上的每个相位各自被分成4个八柱的相等排列的阵列区段，但是可例如存在四个或更多个。在该示例中，转子柱的数量是92，导致四个相等排列的角位置，其中转子柱和定子柱对准。这转而在四个位置中导致定子和转子之间的峰值轴向吸引力。

需注意，可使用定子柱数量和转子柱数量的许多其他组合。也可使用其他数量的相位。这些示例已建立来提供有益的性能，但是并不将各种构造原理限制于这些示例性几何形状。例如，设备的实施方案的特征(诸如但不限于磁性地预加载的轴承或布线构造)可与具有更低或更高数量的极的转子和定子一起使用。

通过模拟和实验已经表明，对于设备的实施方案，定子和转子之间的总轴向预载荷保持相对恒定，诸如在多相位布线配置(诸如但不限于三相位配置)中的10％以内，而不管提供给绕组的电流和马达产生的扭矩如何。这是因为电磁力在排斥和吸引方面是合理相等的。但是，尽管定子和转子上的总轴向力保持合理恒定，定子或转子上的各个柱上的轴向吸引力将变化相当多(诸如14％或更多)。出于这个原因，在一些实施方案中，有益的是将相区段的数量分布成每相多于两个区段，因此来自永磁体的峰值轴向载荷发生在多于一个角位置处(例如，在四个相等阵列的角位置处)。这可有益于在围绕尤其是od轴承的圆周的轴承上提供更一致的轴向预载荷，因此将把定子从转子拉动的任何悬臂外部载荷(诸如主要在一个角位置处正在将定子和转子拉开的在scara臂上的悬臂载荷)在任何时候都受到一个或多个峰值轴向力区域的反抗，而不管臂的角位置如何。在一些方面，每相的区段数量越多，制造复杂性越大，因此四个峰值轴向力位置(每相四个区段的结果)被认为是可制造性和峰值轴向力一致性的良好平衡。用许多不同数量的定子柱和转子柱可实现四个峰值轴向力位置，其中重要特性是转子上的柱的数量和定子上的柱的数量之间存在四个柱差异。

此外，对于使用所示布线配置的实施方案的设备的实施方案有益的是定子上的柱的数量是三个区段的倍数，诸如3、6、9、12、14、16等，其中在定子上每个区段具有偶数数量的柱诸如2个、4个、6个、8个、10个、12个等。

当决定在设备的实施方案的设计中选择多少峰值轴向力位置时的另一个考虑是将导致的齿槽台阶的数量。大量的齿槽台阶有益于减少齿槽(因为较大数量的台阶通常导致每个齿槽台阶的最大扭矩和最小扭矩之间的力变化较小)，因此定子和转子之间的两个柱差异(对应于每相两个区段)对于减少齿槽似乎是优选的，因为在96个定子柱和94个转子柱的非限制性示例性实施方案中，齿槽台阶的数量是4512，这是非常高的，导致非常低的理论齿槽扭矩。然而，定子和转子之间的两个磁体差异在任何给定时间仅导致两个峰值轴向吸引力位置，导致当提升有效载荷时在致动器的输出上的悬臂载荷的支撑不太稳定，诸如在scara臂配置中。出于这个原因，转子/定子柱的四个差异在有效载荷提升稳定性方面被认为是很好的选择，即使其具有更低数量的齿槽台阶和理论上更高的齿槽力。96个定子柱到92个转子柱配置仅导致2208个齿槽台阶，这预期会导致约两倍大的齿槽力变化。因此，在齿槽减少方面，柱的四个差异似乎不是有益的，因为齿槽台阶将更少，并且因此量值更大。然而，齿槽台阶更少可存在另一益处(这是由于定子和转子之间的较大的柱数量差异-例如，如图3和图4所示的为四的四个柱差异(与一个或两个柱差异不同)引起的)。该优点与齿槽台阶的尺寸和在制造/组装期间以及在各种载荷下的操作中定子和转子轴线对准所需的准确度之间的相互关系有关。具体地讲，如果齿槽台阶(在平均气隙直径处周向测量)小于转子轴线相对于定子轴线的径向位移(由于缺乏制造准确度)，则定子和转子将不能充分对准以实现一致的齿槽台阶。这将导致在旋转期间齿槽力不一致。转子相对于定子的任何径向位移将在同一径向方向上在直径相对的柱上具有未对准效应，导致不太理想的齿槽消除。转子/定子轴未对准和定子的相对角位置具有非常高的齿槽台阶实施方案(诸如在定子和转子之间具有两个柱差异)的一些组合甚至可能导致在一些条件下齿槽力变化大于使用更大的转子/定子柱差异的情况(假定在每个示例性情况下径向未对准类似)。

轴承刚度在径向方向上的影响可能是一个重要的考虑，因为齿槽力或有效载荷力有时会使转子相对于定子与径向上不那么坚硬的轴承一起径向更多地位移。如果这个径向位移是齿槽台阶尺寸的显著百分比(在平均气隙直径和与径向位移方向成90度处切向测量的齿槽台阶尺寸)，则齿槽台阶和齿槽力将不一致，并且在一些情况和角位置下，齿槽力可能量值(这里的“量值”指代齿槽台阶中的最大和最小扭矩之间的差值)会大于定子/转子柱差异更小且齿槽台阶的数量更高的情况(在定子和转子的情况下，导致理论上更低的齿槽扭矩)。据信可能的是，如果存在转子相对于定子的～001”至.002”的径向位移(由于制造不准确或由于在使用中加载致动器而引起的径向位移)，则在～10”od致动器上的非常高的齿槽台阶将导致不一致的齿槽。这被认为是用于对定子、转子和轴承的大规模制造的高公差。在制造期间实现这些高公差是耗时且昂贵的，因此已经确定，如果使用多于一个或两个柱差异，则可实现更一致的齿槽扭矩(并且可能甚至更低的峰值齿槽扭矩)。转子和定子之间的四(4)个柱差异具有在机器人技术应用中(诸如当支撑悬臂载荷时)在任何时候都在致动器的载荷侧上提供至少两个峰值轴向吸引力位置的优点。转子相对于定子的可允许径向位移可以更高，因为齿槽台阶更大。与使用更高数量的齿槽台阶相比，这预期允许以更低的制造公差和轴承刚度实现一致的齿槽扭矩。在定子上存在n个柱并且转子上存在m个极的情况下，可选择n和m中的每一个的数量，使得n和m具有n和m的最大公约数为4或更大的属性。

许多典型的三相位马达在单个槽中具有来自两个相位或三个相位的导线是常见的。本发明设备的实施方案使用其中一行中的两个或更多个相邻槽包含来自仅一个相位的导体的布线配置。许多不同的缠绕方法可与该设备一起使用，但是如图4和图5所示的绕组配置104的优点包括使用轴向对准(在每个槽中周向分层)的非重叠扁平线的能力(对于扁平线而言，使线重叠(如通常在三相位分布式缠绕机中进行的那样)是有问题的)。为了利用这种绕组配置的组装和方法的简单性，每相具有尽可能少的区段(诸如，每相一个区段，例如：对于96个槽的定子，每相32个槽，或者每相两个区段，例如：对于96个槽的定子，每相16个槽)可以是有益的。用于这种绕组配置的转子柱的数量优选地等于定子槽的数量加上或减去每相的区段数量，例如，对于每相具有两个相等阵列区段的96个定子槽，转子柱的数量为94或98。

图5至图8示出了具有附接到定子外壳101的安全环121的示例性致动器，图9至图12示出了具有附接到定子板103的安全环121的另选的示例性致动器。

安全环121安装在定子102上，以在将大于来自跨气隙的pm磁吸引力的轴向吸引力的力沿致动器的旋转轴线施加到附接到转子的臂的端部的情况下阻止定子和转子分离。图8中的致动器的截面示出了安全环121位于定子的内径处。图8中的截面视图示出了安全环的唇部(第一肩部)122a与臂外壳的唇部(第二肩部)122b重叠。在唇部122a和臂外壳200之间，薄的滑动轴承环124就位以在转子和定子分离的事件中提供低阻力滑行接触。第一肩部122a在第一径向方向上突出，第二肩部122b在与第一径向方向相反的第二径向方向上突出，并且第一肩部122a被构造成与第二肩部122b协作以防止转子和定子分离超过预先确定的距离。安全环121使用协作件123a和协作件123b之间的压配合附接到定子外壳101。

在两个示例性致动器中，如图8和图12所示，形成第一肩部122a的重叠特征(在该示例中，其具有比转子外壳的id大的od)位于定子和转子的id周围。安全环和第一肩部122a在正常操作期间不需要接触转子，并且如果转子202和定子102上的分离载荷超过在轴承上由永磁体提供的轴向预载荷，则安全环和第一肩部用于防止转子和定子在轴向方向上完全分离。如图8所示，在组装定子和转子之后，逆轴承或衬套124附接到定子或转子或其他构件。在轴向过载在轴承上导致分离力和位移的情况下，第一肩部122a和衬套124以及转子之间将存在接触，因此第一肩部122a和衬套124以及转子的材料组合是优选地适合于滑行接触的。

如图18所示，也可在这两个表面之间使用滑动衬套材料124。在图19中，如果在致动器旋转期间超过磁性预载荷，则使用薄截面推力轴承124以允许旋转而不会损坏。第一肩部也可用在致动器的od上，具有类似的效果。如果使用滚动元件轴承作为逆轴承，并且如果期望在紧急情况下具有少量的定子和转子分离以减小机械臂在非预期对象上的力，则可能期望使用预载荷弹簧来保持逆轴承轻微地预加载以便防止轴承滚珠旋转。作为非限制性示例，波形垫圈可用于此目的。

如图11所示，转子外壳201和转子板203(图10)通过使用协作件231b和协作件232b的压配合连接。定子外壳101和定子板103(图10)通过使用协作件131b和协作件132b的压配合连接。

在定子和/或转子上从柱到柱的整体材料可用于提供外壳结构。转子和/或定子具有结构刚性，以消除在一个或两个构件上对附加外壳的需要。将定子和转子集成为均质板可减少重量，以及制造成本和复杂性。作为每个均质板的一部分形成的集成轴承座圈可允许从定子柱到与滚动元件接触的轴承座圈的结构载荷路径由单件磁性金属形成，诸如图13至图15所示。id和od轴承用于用在轴向上薄的部件减少转子和定子材料应力和保持小的气隙。可在以下部件中的两者或多者之间使用不间断的软磁均质材料(诸如但不限于铁或钢合金)：定子或转子柱和轴承、定子或转子柱和相邻柱、定子或转子柱和od轴承或轴承座、定子或转子柱和id轴承或轴承座，以及定子或转子柱和在柱和轴承之间的载荷路径中的结构构件。

例如，用于定子和/或转子的均质材料可包括球墨铸铁或其他类型的铁构造。用于定子和/或转子的均质材料还可包括铁、球墨铸铁和钢合金中的一种，并且还可包括导电性抑制剂，诸如硅。

参考图13至图15，定子板103具有在内径处的轴承沟槽111b和在外径处的轴承沟槽112b。定子可形成为均质板，其具有作为均质板的均质延伸的内轴承沟槽111b和外轴承沟槽112b。参考图14，转子板203也具有在内径处的沟槽211b和在外径处的沟槽212b。转子可由均质板形成，该均质板具有作为均质板的均质延伸的内轴承沟槽211b和外轴承沟槽212b。定义集成定子轴承的另一种方式是：定子或转子柱和相邻柱以及轴承座圈均由导电软磁材料的同一电连接和磁连接的统一件制成。

如图15所示，这些沟槽用于钢珠304和钢辊303。转子板和定子板的材料可以是许多材料，诸如但不限于高强度金属材料，其具有软磁属性以提供电磁功能和足够高的结构强度以提供用于在定子和转子柱之间保持小且一致的气隙的强度以及足够高的机械硬度以提供轴承座圈功能。已发现球墨铸铁对于某些应用具有这些和其他品质，尤其是当与所要求保护的范围结合时。轴承沟槽111b、112b、211b和212b也可硬化，以增大负载能力和使用寿命。购买钢珠和辊以及加工和硬化沟槽的组合成本预期低于购买具有座圈的分离模块化轴承和将其安装到致动器中的成本。在批量生产中，这种集成轴承设计可比使用预先制造的轴承具有优势，所述优势包括更低的成本和可能更高的精度，因为减少了公差叠加，这是由于部件数量减少而引起的。

通过使用固态定子和/或转子材料诸如但不限于钢或铸铁，使例如用图15中的轴承沟槽111b、211b、112b和212b如图所示地将轴承座圈集成到定子102和/或转子202中是实用的。如果需要，球墨铸铁诸如但不限于60-45-15或100-70-03可诸如通过氮化或其他方法来硬化以为本发明设备的较高载荷配置提供足够的轴承座圈硬度。对于较低载荷配置或较低使用寿命配置，据信在一些实施方案中可能使用未硬化的球墨铸铁。为了延长使用寿命，可能在id和/或od轴承上使用两排或更多排轴承，以减少滚珠或辊和座圈之间的赫兹应力，从而使轴承座圈比典型轴承座圈(通常由硬化钢制成)更柔软。球墨铸铁或其他铸铁产品通常不用于轴承座圈，但铁用于铁路车轮和轨道中，因此如果由球墨铸铁或优选具有高磁饱和密度的其他合适材料制成，预期这种集成轴承用于机器人技术和其他运动控制应用时可被配置有足够的使用寿命，因此定子上的轴承座圈可以是与定子柱(在定子上)相同的整体材料，并且转子轴承座圈可以是与转子柱(在转子上)相同的整体材料。集成轴承座圈的优点可包括更低的成本，并且由于消除了轴承座圈的公差叠加和转子和/或定子中的轴承座圈座而可能提高精度。使用集成轴承座圈还可减小定子和转子的体积和质量，因为轴承座圈成为载荷支承结构的组成部分，因此消除了对用于支撑单独的部件轴承座圈的附加材料的需要。

将球墨铸铁用于定子和/或转子允许可唯一地适于本设备的实施方案的不寻常要求的特性组合。在一些实施方案中可能有益的球墨铸铁的特征中的一些特征包括由于高碳含量引起的差导电性(这导致涡流损耗减小)、适于低成本制造的优异机械加工性、适于定子和/或转子的净或近净形铸造的优异可铸性、适于延长使用寿命的高疲劳强度、可允许集成轴承在最少或没有附加润滑剂的情况下运行的自润滑属性、在干燥条件下在某些密封材料之间的优异耐磨性(以在一些应用中提供轴承和致动器密封而不需要润滑剂)，以及良好的阻尼性质(以减少齿槽效应和其他高频效应产生的噪音和振动)。

如上所述，本设备的实施方案包括在内径(id)处或在其附近的一组轴承元件和在外径(od)处或在其附近的一组轴承元件。这种轴承组合在转子和定子之间提供轴向和径向支撑，当与所要求保护的几何形状范围结合时，可允许转子和定子重量轻。id和od轴承也保持固定的气隙距离。

已经表明，即使对扭矩是不利的，由于轴承对转子od的拉扯作用，在轴向通量机中将轴承设置在转子od上使得能够在转子和定子之间实现更精确控制并且因此更小的气隙距离，同时有益于用设备生成更多扭矩。由于永磁体(pm)吸引，可通过加工公差和转子在操作期间的偏转来限制转子和定子之间的气隙距离。轴向机中的转子将由于气隙中的磁通量而偏转，因此气隙需要大于转子的操作偏转以避免定子和转子之间的接触。在具有仅id轴承的致动器与具有id和od轴承的致动器之间比较偏转，仅id致动器中的转子和定子比id/od轴承致动器中的转子偏转得显著更多。id/od致动器中偏转的减小可允许保持较小的气隙距离，这导致对于给定输入功率的更大扭矩。通过分析和实验已经表明，在一些实施方案中，通过减小气隙距离所获得的扭矩可大于由od轴承引起的拉扯作用。也已经表明，由于使用od轴承导致的扭矩重量比的增大(由于保持气隙所需的结构材料减少)可能比附加轴承和支撑附加轴承所需的材料的重量更显著。

在本设备的非限制性示例性实施方案中，定子的外径为200mm，并且轴向气隙为约.010”。

该设备的非限制性示例性实施方案具有一个定子和一个转子，如图7至图9所示。单个定子/单个转子设置使转子能够通过在轴向方向上不断吸引定子来预加载id和od轴承。如图16所示，永磁体204生成由箭头401表示的磁通量。同时，相邻的磁体也向极205中生成相同极性的磁通量402。通量401和402两者行进穿过转子极205，穿过气隙400，进入定子柱105，并且在定子102和转子202两者上生成磁吸引力403。磁力403非常强，使得这些磁力能够在许多应用的可用操作条件下在无源和有源操作期间将定子和转子保持在一起。柱连接到护铁106。

图17至图19示出了安全环121的操作的示例。当存在施加在转子上的脱位力404并且该力高于磁吸引力403(图16)时，包括转子板203的转子将开始与包括定子板103的定子分离。当转子开始脱离定子时，安全环的唇部将接触转子的臂外壳201并防止臂组件200分离。在正常操作期间，轴承环124(图18)将在唇部122a和臂外壳201之间的间隙中自由旋转，并且不会产生拉扯作用和摩擦。当线圈接通或通电时，线圈生成非常相似的吸引力和排斥力，导致沿旋转平面的主要切向力。因此，在电力下的任何轴向排斥力相对于永磁体吸引力是非常小的，因此永磁体吸引力在任何时候都可用于防止定子和转子分离并在预先确定的最大负载条件下在轴承上保持足够的预载荷。在一些实施方案中，轴承124可通过成为或具有固定到转子板203或与其集成的轴承的某一部分来形成肩部。

这种设计为转子关节提供了空间，以便在安全环接触之前针对小位移提供有限的脱离效果。这种脱离效果将是有益的，例如，如果机械臂与人类进行有害的接触，将其钉在臂和不可移动的对象之间。在这种情况下，臂可具有非常短的停止时间，但是在致动器完全停止之前可能仍然存在少量移动。在安全环接触之前，转子与臂中的一个或多个致动器的定子的部分分离可用于在臂中的通过冲击加载的一个或多个致动器上提供最大轴向载荷，以这种方式使得这些致动器的转子和定子部分地分离。利用少量分离和非常快速的行动以及快速的减速致动器，诸如本发明设备的实施方案，这种部分分离据信通过减小机械臂的冲击力或钉扎力来提供增加的安全性水平。

对于本发明设备的10”od致动器，已经证明吸引力在～2000磅的范围内。该力足够高以至于使设备的装配和拆卸对于小型设备来说极其困难，并且对于较大版本的设备来说过分困难且不安全。

用该设备的实施方案可减少组装和拆卸安全问题，并且可降低组装固定装置的成本和复杂性。

图3所示的转子板不具有紧接从永磁体轴向向外(在设备的径向通量实施方案等中对应于从永磁体径向向外)的护铁。因此，磁体槽208在转子的背面上打开，从而在组装定子和转子之后可以将磁体组装到槽中。图20示出了可从转子的背部接近磁体204，这允许在不从定子移除转子的情况下单独地移除或安装这些磁体中的每个磁体。

磁体204可以如下安装到槽中。将磁体与槽对准，使相同极性的磁通量接触转子柱，使相邻磁体接触相同的柱。每个第二磁体都将处于相同的周向极性对准。每个第一磁体将与每个第二磁体相对，因此柱呈交替极性。将磁体滑入槽中，直到其抵靠突片固定(如果侧面平行的话)，或者如果使用锥形磁体，则直到锥形磁体安置在锥形槽中。重复上述步骤，直到安装完所有磁体。使用粘结剂(例如，蜡、环氧树脂、胶水)填充间隙。并非在所有情况下都可能需要此步骤，诸如在精密锥形槽中使用精密锥形磁体的情况。

为了移除转子并接近定子线圈和滚珠轴承，通过单独地移除磁体可容易地使转子消磁。

如图16所示，转子中的永磁体204中的每个永磁体生成与其紧邻的永磁体相同的极性通量，这意味着每个磁体将排斥其两侧上的相邻磁体。这将使得磁体彼此排斥，除了已经表明某些几何形状能够防止这些排斥力使磁体将其自身从槽中逐出。例如，气隙越小，力越大，在许多情况下，这将使得磁体将其自身逐入槽中而不是从槽中逐出。在这种意义上，使用锥形磁体也是有益的，因为锥形磁铁具有朝向转子背面的大尺寸锥形，通常更容易将其自身轴向地拉向转子柱并因此拉向气隙。

如图21所示，物理止动件用于阻止磁体移动到气隙中。在该实施方案中，止动件是槽的每侧上的突片210，当磁体滑入槽中时生成吸引力。它们的合力将磁体拉入槽中。由于排斥力部分地或完全抵消，因此来自极和突片的合力成为作用在磁体上的合力。磁体位于突片上，并且磁吸引力将磁体固定到极上。当正确配置时，如先前公开中所述，可以调整磁体上的净力以使用磁力将磁体磁性地保持在槽中。在这种情况下除了防止磁体在槽中的侧向移动之外不需要粘合剂或力学机制。

图22a中示出了致动器的非限制性示例性实施方案，其中通量限制孔206放置在磁体槽208之间，并且沿着转子上的磁体槽208的外侧和内侧半径，以减少磁体的相对极性面之间和相邻的转子极之间的通量泄漏。进行磁模拟以验证这些孔是否减少了通量泄漏，并且磁模拟已表明转子极之间的通量泄漏可以大大减少，同时仍然保持必要的结构强度和刚度以实现小且一致的气隙。

通量限制孔可另选地位于od上的每个第二柱之间以及id上的每个第二柱之间，如图22b所示。如图22b所示，内通量限制孔和外通量限制孔是交错的，使得每个柱仅与内通量限制孔和外通量限制孔中的一者相邻。这在od周围的仅n个柱和id周围的仅s个柱之间提供了不受限制的磁链，并且为od周围的每个第一柱和id周围的每个第二柱提供了更高的结构完整性。这些孔可以是通孔或盲孔，只要它们提供必要的结构强度和刚度以及所需的通量路径磁阻即可。

图23示出了来自不具有通量限制孔的磁模拟的通量路径，并且图24示出了来自具有通量限制孔的磁模拟的通量路径。从图中可以看出，通量限制孔减少了相邻转子极之间的通量泄漏。例如，当使用通量限制孔时，在转子极的气隙表面处通量密度增加，从而更多通量被引导通过定子。因此，当线圈接通时电磁力增大，并且由定子和转子生成的扭矩增大。

在具有和不具有通量限制孔的转子板上的magnet模拟也得出了相同的结论。更多的通量从柱被引导至气隙中。

在图25所示的实施方案中，定子由整体材料(而不是普通的层压结构)形成，并且包括定子柱105、定子护铁106、内轴承座圈111b以及外轴承座圈112b。观察图25中的定子的横截面，在定子柱的尖端和内轴承座圈之间、在定子柱的尖端和外轴承座圈之间不存在沿着定子材料路径500的中断。

定子板保持在一体式外壳内，由一件固态材料机加工而成。典型的定子通常使用层压钢层制成。在示例性实施方案中，如图25所示，内轴承座圈111b、定子柱105和外轴承座圈112b之间的材料路径是不间断的并且包括均质材料，诸如但不限于球墨铸铁或磁钢，诸如m19。定子芯可以由固态钢件铸造或机加工而成。这种构造的益处可包括由于是单个零件而不是许多小型层压零件的组装而降低的成本和复杂性，以及更高的强度、刚度和抗蠕变性，因为在载荷路径中没有在典型的层压定子构造中存在的粘合剂。这允许使用更薄的定子横截面，这有益于减轻重量。

不间断的径向路径对应于径向通量设备中的不间断的轴向路径。图25中的路径500终止于集成轴承座圈处的id和od。如果使用单独的轴承座圈，则不间断路径也可以终止于轴承座圈。不间断路径也可以终止于定子和轴承座圈之间的中间部件或层。

参考图26，示出了使用螺栓连接到一对机械臂的示例性转子和定子的分解视图。第一臂700使用螺栓718连接到转子外壳702。转子外壳702使用螺栓720连接到转子708。第一轴承元件706连接在转子708和定子712之间，并且通过压配合环704连接。第二轴承元件710还使用螺栓722连接在转子708和定子712之间。定子712使用螺栓724连接到定子外壳714。第二臂716使用螺栓726连接到定子外壳714。

参考图27至图29，转子606由诸如球墨铸铁的铁质材料制成，并且保持沿圆周方向极化的等间隔的磁体阵列605。磁体605的极性是交替的，以便在转子606的径向腹板中生成交替的北极和南极。定子609由诸如球墨铸铁的铁质材料制成，并且包括等间隔的轴向柱阵列，一组定子绕组610围绕所述轴向柱缠绕。将换向功率施加到定子绕组610使定子609的柱以图案和顺序极化，使得在定子609的柱和转子606的径向腹板之间生成周向吸引力和排斥力，从而生成扭矩。定子绕组610由定子封装化合物611封装，该定子封装化合物用于防止导线移动并且有助于将热量从导线传递到定子609。如图28所示，定子帽612可被放置在定子609上方并将导线610保持在适当的位置。

磁体605还引起定子609和转子606之间的吸引。轴承603和轴承604经由外壳601、602、607和608抵消定子609和转子606之间的吸引力，并且起到准确地控制它们之间的间隙的作用。在大多数应用中，定子609和转子606之间的轴向吸引力足以防止上部外壳601与下部外壳602分离，从而消除了对它们之间的额外保持的需要。在外壳601、602、607和608与转子606和定子609之间的界面处的直径配合经由内部4点接触轴承604承载两个组件之间的径向载荷。施加到组件的外部力矩主要通过外推力轴承603承载。

通过定子绕组610的电流趋向于增大定子609相对于其他部件的温度。将生成的热传导到相邻的外壳有助于减少对其温度的增加。所示的示例包括轻合金外壳，其具有比定子609更高的热膨胀系数。为了在温度增加时保持在定子609的外径和下部外壳602的内径之间的界面处的过盈配合，主要直径位置出现在定子609的定位钩的内径处。

在图29中，可移除帽614和616位于臂中，这允许插入定子和转子，并且最后插入磁体。

还可能使用机械力和磁力的组合来提供力以将磁性件保持在转子槽中。锥形磁体可提供一种结构，其中在将磁体保持在转子槽中时相当大百分比的通量通过气隙。

切向呈锥形使得它们朝向气隙变薄的磁体可在集中通量转子配置中提供高性能。参考图30至图35，示出了处于轴向通量配置的转子3300，其中磁体3302具有锥形端部3316，并且转子柱3304具有锥形端部3318。磁体和转子柱在相反方向上呈锥形以形成联锁布置。永磁体在定子3330的方向上呈锥形，而转子柱3304背离定子呈锥形。在该实施方案中，两个基本上镜像的转子3300可组装在一对定子之间，其中每个转子的锥形柱背靠背地接触，并且每个转子的锥形磁体背靠背地接触。以这种方式使磁体3302呈锥形允许在气隙处具有更大的转子柱宽度。这还允许在磁体锥形的宽端处具有更大的磁体宽度，以向转子柱3304提供远离气隙的更多通量，其中如果侧面平行的话，柱3304将倾向于不那么饱和。这样，有源永磁体3302和软磁材料被更有效地用于在气隙处提供更多的通量。两个转子零件可以例如通过粘合剂固定在一起，但是在一些优选的变型中，可以使用机械特征，诸如螺栓(未示出)或固定环(未示出)。

锥形柱3304和磁体3302的联锁布置用作止动件，以防止永磁体移出，这减少了用磁力将磁体保持在转子中的需要，因此减少了磁通量通过端铁3314泄漏的需要。

在一些实施方案中，通量路径限制3328的阵列可以形成在端铁3314中，例如，形成为在每个转子柱3304的基部(转子柱在该基部处与端铁3314连接)处的端铁3314中的孔。这些通量路径限制3328减小了转子柱3304和端铁3314之间的可用通量路径。

图30示出了锥形槽转子的轴向通量配置，但是锥形槽转子可以等效地构造成径向通量配置。锥形磁体可朝向或远离相对的载体变窄。

以这种方式使磁体呈锥形的第二个效果是将高百分比的通量从永磁体向气隙偏置。这至少在两个方面是有益的。首先是锥形永磁体将被拉向气隙到它们将关闭永磁体和转子槽壁之间的气隙以实现更低的磁阻磁链和它们将被机械地防止进一步移动并因此被锥形转子柱固定地保持的程度。其次，后表面处较窄的转子柱导致沿着转子的中心平面柱与柱之间的较大距离。这减少了沿着转子中心平面柱与柱之间通过空气泄漏的量。通过将两个基本上镜像的转子半部与锥形柱和锥形磁体背靠背地组装，可迫使来自永磁体的大百分比的通量跨气隙链接。

这样，可以在气隙中实现非常高的通量密度，同时磁性地且机械地保持磁体。制造锥形转子柱式转子的成本有效方式是使用背靠背的两个对称的转子3300。这种构造不允许使用护铁来加强转子，因此使用软磁端铁3314代替。端铁3314具有优选地用于在通过端铁的转子柱之间产生高磁阻通量路径的尽可能薄并且提供机械强度和刚度以保持小且一致的气隙所需的尽可能厚的区段。

为了补偿通过端铁连接从柱到相邻柱的通量损失，一个实施方案在气隙处使用比软磁定子柱3332长的永磁体3302。这在图31中示出，其中永磁体3302比转子柱3304长，该转子柱将具有与定子柱3332相同或几乎相同的长度。如图32所示，绕组配置3334围绕定子柱3332延伸。在相邻柱之间不存在软磁连接的情况下通过将永磁体深度增加到超过在转子柱中实现高通量密度所需的深度，永磁体3302将足以使端铁3314饱和，同时仍在气隙处在转子柱中保持高通量密度。如图31所示，在与每个转子柱3304的每个端部相邻处存在两个通量限制器3328。转子柱3304在转子的轴向外端处具有更大的宽度。通量限制器3328在与转子柱的外端相邻处较大并且在转子柱的内端处较小。

例如在图3、图14、图22a、图22b和图34至图38中公开的实施方案中描述的通量限制孔设计来满足功率和结构强度之间的可接受折衷。磁体上的横截面积提供保持气隙的强度，并且通量限制器防止通量在相邻磁体之间过度连接。通量限制器可相邻于每个第二柱而不是相邻于每个柱与孔一起放置，这将提供更强的结构，但是对相邻柱之间的磁链没有显著影响。通量限制器可以是任何形状的盲孔或通孔，只要在通量路径中存在横截面积减小即可。在优选实施方案中，通量限制器将位于柱的任一端上，位于柱阵列和每组轴承之间。通量限制器优选地平行于每个柱的长度。通量限制器可以被设计成使得结构载荷路径中的横截面积大于磁通路径中的横截面积。通量限制器还能够以与本文所述的针对轴向和线性通量机所描述的方式等效的方式用于径向通量机中。本文描述的具有通量限制器的机器的实施方案可具有由例如足够坚固以支撑磁力但是足够薄以使重量轻的球墨铸铁制成的固体材料。通量限制器可相邻于转子或定子上的每个柱或者相邻于转子或定子上的每个第二柱放置。通量限制器通常放置在每个柱或每个第二柱的两端上。通量限制器可相邻于每个柱的一端上的每个柱并且相邻于每个柱的另一端上的每个第二柱放置。通量限制器可以交替模式放置，使得每个柱仅与一个通量限制器相邻，并且对于每个相邻柱，对应的通量限制器与相邻柱的相反端相邻。通量限制器可具有不同的尺寸，同时保持相同的几何形状。横截面通量路径在每个第二柱之间可以是一致的，但是可选择横截面通量路径使得它在相邻柱之间交替，使得每个柱具有与直接与其相邻的柱不同的横截面通量路径。在通量限制器以交替模式放置以使得每个第二柱与通量限制器相邻的情况下，与通量限制器相邻的每个柱的横截面可以小于不与通量限制器相邻的每个柱的横截面。在这样的实施方案中，每个第二柱将具有比与通量限制器相邻的每个相邻柱大的横截面。如图31所示，相邻于柱的每个端可存在多个通量限制器。

用于转子的制造方法可包括铸造或成形或粉末金属构造、添加剂制造、机加工等。磁体的制造可通过成形或者加法或减法制造来完成。磁体在插入槽中之后也可以磁化。可能可用现有工艺或未来工艺将粉末状硬磁材料压入转子槽中，然后在压制之后磁化pm材料，或者可以使用环氧树脂或其他聚合物中的pm磁体材料的浆料填充槽，然后在硬化之后进行磁化。可通过一次向两个或更多个柱施加非常高的通量密度来完成对硬磁材料的磁化。

护铁、侧铁和端铁用作保持元件并与转子柱形成刚性连接。一个实施方案的特征可与其他实施方案的特征组合。

参考图32，示出了具有端铁3314的定子-转子-定子配置。端铁3314和转子柱3304可以由单件等距软金属材料形成，其中单个阵列的永磁体3302配合在转子柱3304之间。端铁3314在转子3300的两端形成。在该实施方案中，可包括通量路径限制3328，如图33所示。

图33示出了具有护铁3310、端铁3314和通量路径限制3328的定子-转子-定子配置的实施方案。在该实施方案中，两个永磁体阵列3302由护铁3310分离。通量路径限制3328形成为永磁体3302的端部处的孔，以减少端铁3314中的通量泄漏。

图34示出了转子-定子-转子配置的实施方案。两个集中通量转子3300接合中心定子3330。转子3300每一者包括端铁3314和通量路径限制3328。在许多应用中，仅端铁或仅护铁便足以为集中通量转子3300提供足够的刚性。

图35示出了转子-定子-转子配置的实施方案。该实施方案与图34所示的实施方案基本相同，在每个转子3300上添加了厚护铁3310。

图36示出了线性通量机的转子-定子-转子配置的实施方案。定子3330具有柱3332的阵列。转子围绕定子并且由一件或多件材料制成，例如，软磁各向同性材料。用于转子3300的内部结构上的永磁体3302的接收槽用作转子柱3304、转子护铁3310和转子端铁3314。本文设想了线性马达的许多构造。例如，转子的侧面区段的材料可与上转子部分和下转子部分不同。图37示出了线性通量机的转子-定子-转子配置的实施方案，其在转子3300上没有护铁3310并且在槽的任一侧上具有与永磁体3302中的每一个相邻的多个通量限制器3306。图38示出了转子-定子-转子配置，其具有与每个第二永磁体相邻的通量限制器3306的交替模式。

现在将描述电机的实施方案，其配置可以利用该专利文献中公开的设计元件，例如内轴承和外轴承配置。

所公开结构中的任何结构都可与具有包括柱和柱间的槽的电磁元件的电机一起使用，其中柱被缠绕以至少在定子或转子中的任一者上产生极，其中极密度在由该专利文献中指定的方程限定的极密度范围内并且柱高度在由该专利文献中指定的方程限定的柱高度范围内。这些方程各自定义有界区域。有界区域取决于电机的尺寸，其中该尺寸由机器的半径限定。这些有界区域一起限定了由极密度、柱高度和机器尺寸限定的空间中的有界表面。该有界区域在2017年2月16日公开的共同未决的wo2017024409中公开，并在此重复。

基于建模研究和femm分析，据信得到以下结论：对于给定直径的马达，至少超过特定的极密度并且对于指定导体体积或柱高度：1)对于给定扭矩或力，具有如所公开的极密度和导体体积或柱高度的电机相比具有更低极密度和/或更高导体体积但具有对应有效的散热的在另外方面等效的机器已经增加了产热(并且因此效率更低)；以及2)增加的极密度和更低的导体体积或柱高度相比具有更低极密度和/或更高导体体积的在另外方面等效的机器也具有降低质量的效果，具有总体增加的扭矩质量比(扭矩密度)。

当若干个电机沿臂诸如机械臂间隔开时，具有增加的扭矩质量比的电机特别有用，因为相对于需要一个电机提升或加速一个或多个其他电机，效率不那么重要。据信具有如所公开的极密度和导体体积或柱高度的电机的改进性能至少部分地由以下项造成：1)具有从最热导体到柱的更短热流动路径的更窄的槽以及2)从柱的顶部到散热表面的更短热流动路径。

例如，所公开的每个电机实施方案都被示出为具有在对据信提供kr方面的益处的极密度和柱高度的限定内的极密度和柱高度。

例如，在极密度在0.5及更高的范围内时，并且考虑到通常槽大约与齿一样宽，对于25mm宽的机器，齿宽可处于1mm的量级。可以使用更窄的齿。较薄齿的优点在于固态材料(诸如但不限于钢或铁或磁性金属合金)可以能够在使用时具有最小的涡流，因为齿更接近正常马达叠片的厚度。用于这种尺寸的马达的普通马达叠片可以在0.015”至0.025”的范围内。所提出的极密度和齿几何形状(许多短柱)也有助于避免第一载体(定子)中的涡流。例如，对于具有144个槽的电机，发现涡流损耗仅为200rpm和70a/mm²下的绕组中总电阻损耗的7％。使用固态(非层压)材料可提供强度、刚度和可靠性方面的优点。

所公开的机器的实施方案可以使用分数绕组。一些实施方案可以使用分布式绕组；其他实施方案可以使用集中绕组。由于端部线匝中的铜更多并且功率更低(需要更大的马达)，因此分布式绕组更重。它们还需要较厚的护铁，因为通量必须行进穿过至少三个柱，而不是像在分段绕组中那样行进到下一个柱。分布式绕组因为导体更长(由于端部线匝之间必须连接的距离更长)而产生更多热。

具有所提出的极密度的电机的实施方案可具有任何合适数量的柱。最少数量的柱可以是100个柱。大量的柱允许每个柱的绕组较少。在非限制性示例性实施方案中，每个柱上的绕组仅为一层厚(从柱向外沿周向测量)。这减少了气隙和/或封装化合物间隙和/或导线绝缘层的数量，来自导体的热传导穿过气隙和/或封装化合物间隙和/或导线绝缘层以使导体将热以传导方式消散到定子柱。这有益于热容量(用于瞬时高电流事件)和连续运行冷却。当通过与导体直接接触的气体或液体冷却剂直接冷却线圈时，组合有高极密度的少量周向层(例如柱上的单个周向导线层)导致导体非常高的表面积(相对于导体的体积)暴露于冷却流体。这有益于冷却导体，并且是利用所公开的低导体体积的许多示例性方式之一。每个柱的单行(或低行数)线圈还降低了制造复杂性，从而允许较低成本的生产。在另一个实施方案中，每个柱的绕组是两层厚的。

对于175mm或更大的平均气隙电机，槽的数量可以是60或更大，或者对于轴向通量电机可以是100或更大，例如在示例性175mm直径实施方案中具有108个槽。另外，对于此类电机，柱的平均径向长度-周向宽度可以高于4∶1，诸如约8∶1，但可以达到10∶1和更高。对于示例性108槽实施方案，该比率为约8∶1。利用这种配置，改善了散热。对于非常小的扭矩，较低的纵横比将是大量的材料，因此纵横比有助于实现对高kr和机器人技术有用的扭矩，同时利用散热效果。

在一些实施方案中，通过用保持气隙的低摩擦表面涂覆气隙来降低刚度要求。在线性马达的一个实施方案中，在气隙中施加低摩擦表面，其保持0.008”的气隙。涂层诸如dlc(类金刚石涂层)可在转子和定子两者上沉积在0.0025”处，并且将保持间隙。

已建立极间距(或密度)和导体体积的范围，所述范围在kr方面或在组合扭矩、扭矩重量比和km的加权函数方面保有显著益处(如进一步描述的)。在加权函数方面的益处量取决于冷却量和其他因素，但是该方程限定了提供所指示益处的电机的新结构。给出了限定由产生这些益处的极密度和导体体积的范围确定的有界区域的方程。

在一个实施方案中，通过在由机器尺寸、柱密度和柱高度限定的相位空间的区域内操作来获得优点。图39a至图39f所示的一系列图形示出了用于示例性系列的线性马达截面几何形状的扭矩密度(z轴)v、槽密度(x轴)和柱高度(y轴)，这是使用一种在octave^tm(一种求解数值计算的程序)中生成的自动求解器来使用femm软件创建和分析的。在该示例中使用槽密度，因为它与极密度相同。

以下规则和假设应用于这个系列中的所有马达。每个区段具备144个电磁体和146个永磁体。转子包括ndfeb52磁体和m-19硅钢的区段。每个永磁体切向地放置于转子并且被取向使得它的磁场方向切向地与转子对准并且与其相邻的永磁体相反。将m-19硅钢区段放置在永磁体之间。定子由m-19硅钢制成。电磁体在一个3相位配置中使用了集中的绕组线圈。假设线圈具有75％的填充系数，具备75％的槽面积。被调查的两个变量是柱高度和槽密度。其余的几何形状变量根据以下关系缩放：通过所有模拟的1.25英寸恒定的模型厚度，转子永磁体宽度设置为永磁体间距的50％，转子永磁体高度设置为永磁体宽度的2.3倍，定子槽宽度是定子电磁体间距的50％(与柱和槽的宽度相等)，定子护铁高度设置为定子柱宽度的50％，气隙轴向高度为0.005英寸。

表示所公开的独特几何形状的有界区域以优选实施方案为模型，该优选实施方案即会产生最高的扭矩重量比和kr的实施方案。在这个实施方案中已做出某些设计选择，诸如选择在转子中使用n52级ndfeb磁体、选择转子极对定子柱的比率为146∶144，和选择具有护铁的通量集中转子。据信这种配置可提供对于所公开直径中执行器的尺寸的最高的实际扭矩重量比配置之一，同时仍然保持可制造性和结构稳定性的合理水平。许多其他配置是可能的，诸如不同的转子类型(表面永磁体、埋入式永磁体等)、不同的磁体材料和等级(包括但不限于陶瓷、钐钴和高温ndfeb)、不同的转子极对定子柱比率、不同的定子绕组配置、不同的定子材料等。在许多情况下，对于这些参数的不同设计选择不会通过像优选实施方案那样对于相同的极间距和柱高度导致扭矩减少或重量增加来具有像比较于优选实施方案那么大的kr益处。然而，对于设计的大多数，当所有其他的设计变量和几何关系保持恒定时，相对于在所公开区域外的几何形状，通过在所公开区域内使用极间距和柱高度具有对kr的益处。这个原理对于集中和分布式绕组设计两者、对于线性马达、轴向通量旋转马达、径向通量旋转马达、梯形/环形旋转马达以及横向通量线性和旋转马达都是正确的。

对于那些马达截面几何形状中的每一个，执行磁模拟和热模拟。对于每次磁模拟，程序产生了质量、水平力和能量消耗的值。线圈横截面的几何外推用于找到端绕组的质量和能量消耗，以便更准确地预测整个系统的质量和能量消耗。对于计算失速扭矩和低速度时的扭矩，阻抗损耗的平方根是能量消耗的主导部分，带有基于槽的几何形状来解释端绕组的阻抗损耗的乘法器。这些值用于计算每次模拟的质量力密度(每单位质量的力)和面积正常化力(每单位气隙面积的力)。对于每次热模拟，程序产生了线圈温度、转子温度和定子温度的值。使用水作为冷却剂并且以700w/m²k的对流因数将设定的冷却速率施加于定子内表面。水的温度设定在15℃并且其流速在6至20mm/s之间。假定状态条件稳定。

对于恒定的电流密度模拟，将固定的电流密度施加到导体，并且通过程序计算所得的力、质量、能量消耗和最大定子温度。

对于恒定的温度、单位面积的力或力密度模拟，电流密度在每个几何点处被调整，直到有关参数达到目标值，并且记录在那一点处的其他参数。对于恒定的温度、单位面积的力和力密度模拟的目标误差分别是1度、0.002n/mm²和1n/kg。通过将面积正常化力乘以旋转马达中的气隙的圆周面积并且将力乘以直径以产生所得的扭矩，可将该数据直接应用到各种尺寸的旋转马达。由于马达的曲率半径，会存在一些小的偏差和与用线性结构来近似弯曲结构相关联的误差，然而我们的模拟已经示出了旋转的模拟扭矩典型地在通过线性模型预测的扭矩的10％以内。

高的扭矩重量比在一些应用中是有益的，但是扭矩的最小水平对于应用诸如机器人技术是必要的，在这些应用中，可能由于高的扭矩重量比执行器，无论臂有多轻，臂都必须具有足够的扭矩来提升和移动有效载荷。具有在该专利文献中所公开的范围内的极密度和导体体积的电机在可接受的能量消耗水平上提供高扭矩和扭矩重量比。

在恒定的电流密度2320下的单位面积的力在图39a中绘制为槽间距和柱高度的函数。施加到虚拟系列中的所有马达的相同电流导致所公开范围2322中的每面积的力显著降低(由虚线示意性地示出)。虚线对应于投影在3d表面上的每一尺寸(25mm、50mm、100mm和200mm，如相关于以下方程所讨论的)的中间边界。中间边界对应于方程组a2、b2、c2和d2。在这个图形中，示出了对于一系列在femm中分析的马达在恒定的电流密度2320下单位面积的力，在octave中使用脚本来找到对于给定的3相输入电源的最高的扭矩旋转位置。除了在如所示地变化的导体体积和槽密度，这些马达在其他任何方面都是相同的。

在给定温度2324下最高可能的电流密度在图39b中绘制为槽间距和柱高度的函数。所公开范围2322中的指数级更高的散热特性允许在给定温度下具有更高的电流密度。低导体体积趋向于降低致动器重量，但是低导体体积也趋向于降低致动器扭矩。然而，当导体体积和槽密度在所公开范围内时，在从导体到定子背部或到可施加冷却的任何其他表面的热流动阻抗会存在剧烈的减少，因此允许在不使致动器过热的情况下将非常高的电流密度施加于导体。

在图39b中，使用与图39a中相同的马达系列，但是代替施加于每个马达的恒定的电流密度，电流密度是变化的直到导体的稳定状态温度为～70℃。以700w/m²k的对流因数将典型的水冷却效应的合理表示施加于定子的外轴向表面。水的温度设定在15℃。环境温度设定在15℃。因为水冷却表面在冷却方面是高度占主导地位的并且因为转子自身不会产热，因此为了简化，没有将空气的对流冷却施加于转子。假定状态条件稳定。对于3d图形上的每个点，马达的电流密度从零开始增加直到线圈的温度达到～70℃。

图39c与图39d相同，除了具有6a/mm2的恒定电流而不是70摄氏度的恒定温度。因此，展示了短柱的散热益处如何给出预期外的益处公开范围，使用以下的加权惯例产生图39c：扭矩的权重为1、扭矩重量比的权重为3、能量消耗的权重为2。扭矩重量比是最高的权重，因为臂的重量由致动器的重量确定并且因为臂的重量典型地要比有效载荷的重量明显更高。扭矩权重为1，以将其包括为一个重要的考虑，但是意识到有效载荷可比臂的重量低得多。能量消耗被给予了中等的权重，因为其是一个很重要的考虑，但是已知能量消耗受益于更低的臂重量(其通过在扭矩重量比上更高的权重来实现)，所以在能量消耗上更高的权重被视为可能产生潜在相反的效果。

通过将恒定的电流密度施加于马达系列，并且将结果与以上权重相组合，图39d中的表面2328示出了朝向更低的整体性能并且通过槽(或极)密度和导体体积的所公开范围2322持续的趋势。图39d示出了当从图39b施加恒定的温度电流密度时在所公开范围内的益处。

对于马达容量的工业标准度量是km，其基本是扭矩对能量消耗比。对于给定电力，km假定充分冷却。它仅考虑产生特定扭矩水平所需要的能量的量。k″m表面2330在图39e中绘制为槽间距和柱高度的函数。

从图39f中作为槽间距和柱高度的k″r表面2332的图形可以看出，扭矩对重量对能量消耗在所公开范围2322中示出了最预期外且巨大的益处。高kr在静止应用中可能没有大的益处，但是在应用诸如机器人技术中，kr指示能量消耗的益处可通过减少整个系统的重量来获得。

一种产生示出k″r如何随着极密度和柱高度变化的图形的方法如下。考虑到具有几何形状a的马达截面具有低的导体体积(低的柱高度)和低的极密度。具有几何形状a的马达截面被模拟；使用水作为冷却剂并且以700w/m²k的对流因数将设定的冷却速率施加于定子内表面。水的温度设定在15℃并且其流速在6至20mm/s之间。假定状态条件稳定。通过几何形状a的导体的电流然后增加直到导体的最大温度达到70℃。在这个点处的几何形状a的扭矩密度然后被记录并且绘制在图形中，用于柱高度和极密度的对应值。这个过程对于例如通过改变柱高度和极密度并且如上所述地缩放剩余参数获得的其他几何形状是重复的。例如，几何形状b可以通过增加柱高度并且如上所述地缩放所有其他参数从几何形状a获得。几何形状c可具有和几何形状a相同的柱高度，但具有更大的极密度。比较于几何形状a，几何形状d可具有增加的柱高度和增加的极密度。绘制扭矩密度在图形中得到一个表面。

发现扭矩密度随着极密度的增加和柱高度的减少而增加。在具有低的柱高度或高的极密度的几何形状中未示出发生这样的扭矩密度的增加；仅在组合这两种因素的几何形状中观察到扭矩密度的益处。然而，在该区域中，效率正在下降。虽然图形基于指示的假定产生，但是基于所公开的冷却效果和增加极密度和减少导体体积或柱高度的通量损耗的减少，据信相同的几何形状将具有在模拟中使用的其他参数值方面的益处。不影响柱高度或极密度的马达设计元件的改变不预期导致益处的损失。例如，包括具有切向取向的永磁体的转子的电机和包括具有表面安装的永磁体的转子的类似电机可拥有少量不同的k″r表面；尽管如此，上述原理仍然适用，并且仍然可以预测在先前描述的低柱高度和高极密度的几何形状区域内的益处。如目前所理解的，该原理仅适用于具有柱的电机，诸如轴向通量机和径向通量机。

在所公开的方程和图形中，参数k″r是与尺寸无关的并且已经从传统的kr转换而来以使用力代替扭矩，并且与圆周长度和轴向长度两者无关。因此，可从k″r值发现任何尺寸马达的传统kr。并且对于两个尺寸(在气隙和轴向长度上的直径)相同但是几何形状(即，极密度和/或柱高度)不同的马达，乘法系数是相同的，所以具有高k″r的马达将具有更高的传统kr。

k″r作为极密度和柱高度的函数与示出传统kr的图形的表面非常相像。然而，当在分析中使用不同的温度作为限制条件时，对应于扭矩密度的这个特定表面可发生相当大的改变。对比之下，k″r基本不改变(只要电流不变得足够高使得系列中的马达开始饱和；那么3d曲线形状会改变)。因此，用于限定导致先前讨论的益处的极密度和柱高度的特定范围的是k″r。

所公开的益处的范围取决于气隙处的所得马达直径。较小的马达受较多的限制，因为马达的物理尺寸防止使用较低的槽密度。在此定义了4个离散电机直径范围，分别对应200mm及以上、100mm及以上、50mm及以上，以及25mm及以上。针对每个直径范围，描述了三个级别的k″r。对于该特定的直径范围，第一个对应于k″r开始时的小益处，第二个对应于中等k″r益处，第三个对应于高k″r益处。较高的k″r值通常对应于该马达尺寸范围的较低的总扭矩值。

所公开的这些电机尺寸(25mm以及高达200mm及以上的直径)表示小型到大型电机。在模拟中使用的0.005英寸的气隙据信对于这个马达范围是最小的合理的气隙尺寸。由于制造公差、轴承精度、部件偏转以及热膨胀，较小的气隙对于该电机范围是不实用的。

以上方程中的因数是以对有关区域划界的方式来选择并且使所得的关系是几乎连续的。

对于这些模拟，选择50∶50的柱∶槽宽度比，如分析已经示出了当比率在40∶60和60∶40之间时获得最高的益处。50∶50的比例表示典型的最佳情况；在固定的柱高度处，比较之下使用10∶90的槽：柱宽度比会具有显著降级的性能。分析示出了在恒定的柱高度处，实施方案在50％槽宽度处表现出扭矩和扭矩密度的最大值，并且在40％槽宽度处表现出km和kr的最大值。然而，km和kr的最大值在50∶50几何形状下给出的值的5％内；因此50∶50比例被视作是对缩放用于模拟的参数的合理选择。其他柱：槽宽度比会给出所公开的益处的一部分。

以下讨论了示出对于不同的实施方案的极密度和导体体积的范围的方程和图形，所述范围在kr方面或在组合扭矩、扭矩重量比和km的加权函数方面保有显著益处。与先前描述的方程一样，在加权函数方面具有益处的区域取决于冷却量。

电机的尺寸是指如本文所定义的轴向通量机或径向通量机的气隙直径或线性机器的载体的平移方向上的长度。

第一有界区域对应于相对于域中的其余几何形状发现显著的kr益处的区域。对于给定的设备尺寸，kr在所公开的几何形状范围内具有比在该范围之外的任何地方更高的值，指示对于使用这些几何形状的设备的某些应用的整体系统效率的潜在益处。k″r的图形用于通过在一个指定的k″r值处放置一水平平面来限定边界。k″r的四个值用于针对对应于200mm及更大、100mm及更大、50mm及更大和25mm及更大的尺寸的四个不同的致动器尺寸范围限定益处的区域。

在下面的表中，极间距由变量s表示，单位为mm。柱高度也以毫米为单位表示。

在具有25mm尺寸的机器中，对于k″r＞3.3的边界线由表1中示出的值限定，并且对应的图形是图49。

表1组a1

在具有25mm尺寸的机器中，对于k″r＞3.4的边界线由表2中示出的值限定，并且对应的图形是图50。

表2组a2

在具有25mm尺寸的机器中，对于k″r＞3.6的边界线由表3中示出的值限定，并且对应的图形是图51。

表3组a3

在具有50mm尺寸的机器中，对于k″r＞2.2的边界线由表4中的值限定，并且对应的图形是图46。

表4组b1

在具有50mm尺寸的机器中，对于k″r＞2.5的边界线由表5中的值限定，并且对应的图形是图47。

表5组b2

在具有50mm尺寸的机器中，对于k″r＞2.9的边界线由表6中的值限定，并且对应的图形是图48。

表6组b3

在具有100mm尺寸的机器中，对于k″r＞1.5的边界线由表7中的值限定，并且对应的图形是图43。

表7组c1

在具有100mm尺寸的机器中，对于k″r＞1.7的边界线由表8中的值限定，并且对应的图形是图44。

表8组c2

在具有100mm尺寸的机器中，对于k″r＞1.9的边界线由表9中的值限定，并且对应的图形是图45。

表9组c3

在具有200mm尺寸的机器中，对于k″r＞1.3的边界线由表10中的值限定，并且对应的图形是图40。

表10组d1

在具有200mm尺寸的机器中，对于k″r＞1.5的边界线由表11中的值限定，并且对应的图形是图41。

表11组d2

在具有200mm尺寸的机器中，对于k″r＞1.8的边界线由表12中的值限定，并且对应的图形是图42。

表12组d3

对于每个机器尺寸，针对给定的k″值定义每个边界线，使得对于每个机器尺寸，存在一组k″值和对应的一组边界线。可以选择成对的边界线，其中一条边界线选自两个连续尺寸的设备中的每一者，即25mm和50mm、50mm和100mm或者100mm和200mm。边界线占据由尺寸、极间距和柱高度限定的空间或体积。边界表面可以被定义为空间中的二维不间断表面，该表面是连接第一边界线中的任意点和第二边界线中的任意点的所有线的并集的外表面。边界表面包封有益空间。对于每对边界线，边界表面限定有益空间。具有在给定的有益空间内的尺寸、极间距和柱高度的电机被认为落入由该机器尺寸的对应边界线限定的实施方案内。

对于大于最大计算尺寸的机器尺寸，使用针对最大计算尺寸计算的边界线。超过最大计算尺寸的有益空间因此简化地是由该尺寸的计算边界线限定的表面和对应于更大尺寸但具有等于表面上的点的极间距和柱高度的点的体积。

电机的主要部件包括具有电磁元件阵列的第一载体(转子、定子或线性机器的一部分)和具有限定磁极的电磁元件的第二载体，该第二载体被布置成例如通过轴承相对于第一载体移动，该轴承可以是磁性轴承。该移动可由第一载体和第二载体(马达实施方案)的电磁元件或由外部源产生的磁通量的相互作用造成，在这种情况下该移动造成在电机(发电机实施方案)的绕组中产生电动力。在第一载体和第二载体之间提供气隙。第一载体的电磁元件包括柱，柱之间具有槽，每个槽中有一个或多个电导体，第一载体的柱具有以mm为单位的柱高度。第一载体和第二载体一起限定电机的尺寸。磁极具有以mm为单位的极间距。马达的尺寸、极间距和柱高度被选择为落入由尺寸、极间距和柱高度限定的空间中的区域内。该区域由以下项限定：1)以下项的联合：a)由第一尺寸的电机的第一组不等式限定的第一表面、b)由第二尺寸的电机的第二组不等式限定的第二表面；以及c)限定为包含位于具有在第一表面上的第一端点和在第二表面上的第二端点的线段上的所有点的集合，或2)由一组不等式限定的表面和对应于更大尺寸但是其中极间距和柱高度对应于表面上的点的所有点。

第一组不等式和第二组不等式分别是a和b，或b和c，或c和d的不等式组，其中a选自由表1、表2和表3中提出的方程(分别为等式组a1、a2和a3)组成的不等式组的组，b选自由表4、表5和表6中提出的方程(分别为等式组b1、b2和b3)组成的不等式组的组，c选自由表7、表8和表9中提出的方程(分别为不等式组c1、c2和c3)组成的不等式组的组，d选自由表10、表11和表12中提出的不等式(分别为不等式组d1、d2和d3)组成的不等式组的组。

电机的特征空间可以由针对相邻尺寸的不等式组定义的任何一对不等式形成，例如：a1b1、a1b2、a1b3、a2b1、a2b2、a2b3、a3b1、a3b2、a3b3、b1c1、b1c2、b1c3、b2c1、b2c2、b2c3、b3c1、b3c2、b3c3、c1d1、c1d2、c1d3、c2d1、c2d2、c2d3、c3d1、c3d2、c3d3。它也可以由任何一组不等式形成，并且所有点对应的尺寸更大，但在由不等式组定义的区域内具有柱高度和极间距。

本申请中描述的所有设备可具有落入由这些方程定义的区域和空间内的尺寸、极间距和柱高度。

对于给定的电功率输入，几何范围可提供异常高的扭矩重量比。该效率与温度无关。例如，在给定的扭矩重量比下，对于给定的冷却方法，在所公开范围内的致动器可以比在所公开范围之外的类似致动器更冷地运行，因为在所公开范围内的设备将使用更少的功率。

在这种情况下，低导体体积由于较短的导体而具有较低热阻的益处。在所公开范围内，以更高的电流密度为这些导体供电的需要不只通过设备的散热益处来补偿，以实现给定的扭矩重量比。在所公开的k″r范围内，重量的减少(部分地由低导体体积导致)可超过所需的额外功率(其由较高的电流密度产生)，使得在kr方面可以产生净效益。在给定直径的机器中所述的几何形状范围提供了与已知用于小型机器的特征几何相关的散热效果，但是在大直径机器中根据本设备的原理使用。

为清楚起见，仍需要冷却以实现kr益处，但是假定kr计算使用了足够的冷却。对于某些电机和应用，辐射冷却便足够。对于其他电机和应用，需要风扇和散热片。对于全功率的其他电机和应用，需要水冷却。

对于所公开的电机，kr在低功率到高功率输出时是相同的(直到定子饱和，此时kr将减小)，因此取决于功率输出，将需要不同水平的冷却，但是扭矩对重量对能量消耗保持合理恒定。所公开的极密度和导体体积的范围可通过给定的冷却方法针对给定的散热速率提供异常高的扭矩重量比。所公开的极密度和导体体积的范围可以针对施加于定子的后表面的给定冷却方法和给定导体温度产生更高的扭矩重量比。针对所公开的极密度和电导体体积范围的电导体冷却的主要形式是从电导体到定子的后表面的热传导热量传递。

例如，可通过与冷却流体直接接触或通过传导到另一构件诸如外壳，或者通过辐射，从定子的后表面提取热量。定子或导体的其他表面也可以通过各种方式冷却。对于许多马达类型，冷却定子的后表面被表明是成本有效且简单的选择。样品分析(在此未示出)指示，当定子或导体的其他表面冷却时，(与所公开范围之外的马达相比)显示出从定子后表面的更好的散热的所公开范围内的几何形状通常还将显示出比所公开范围之外的马达更好的散热。因此，定子的后表面被视为有用的冷却表面，以及该系列中每个马达对定子和导体的其他表面的冷却应用的有效性的指示。已经选择定子的后表面用于马达系列分析的主冷却表面，该马达系列分析用于识别所公开范围。

其他冷却方法可应用于具有所公开的极密度和导体体积范围的电机，但是从导体到定子背面的热流路径优选地总是用于冷却马达，而不管使用了何种其他类型的冷却(例如直接盘管冷却)。

定子护铁的轴向深度可以是柱的宽度(周向或切向宽度)的50％。每个柱可具有切向宽度，并且定子可包括护铁部分、端铁和侧铁，护铁部分的厚度等于或小于柱的切向宽度的一半，或者可以小于柱的切向宽度。较厚的护铁增加了重量，益处最少。较薄的护铁有助于冷却，但护铁厚度对冷却的影响不是很明显。护铁表面可以与外壳物理接触以从定子到外壳物理地传导热量，以及/或者定子的后表面可以暴露于主动循环的冷却流体以及/或者定子的后表面可以被配置为向大气或外壳或其他部件辐射散热，以及/或者定子的后表面可以被配置为通过空气或液体在定子和/或外壳表面上方的移动进行对流或被动冷却。可以包含或可以不包含移动经过定子后表面的气体或液体。定子的后表面可被密封而不与大气接触或暴露在大气中。大气可以是空气或水或者致动器周围的其他流体。环境还可以是真空，诸如这是某些制造过程或空间真空所必需的。定子的后表面可以配置有散热片，这些散热片增加了表面积。这些散热片可暴露于冷却流体并且/或者与散热件诸如外壳或其他固态构件接触。定子上的散热片的高度可大于圆周方向上的柱宽度的50％。

除了从定子的后表面散热之外，其他散热表面可包括柱的表面，柱的表面可暴露于冷却流体，诸如空气或液体，空气或液体通过诸如导体和柱之间的槽循环。

冷却定子和/或导体的其他方法可包括在定子表面上方或下方和/或导体表面上方或下方的冷却通道。这些和其他形式的冷却被视为对从导体到定子后表面的主要热传导冷却的补充。在某些情况下，相比主要传导冷却效应，辅助冷却方法甚至可以从定子吸取更多的热量，但主动冷却方法需要能量和额外的成本和复杂性，因此在此公开了从导体到定子后表面的传导冷却路径作为主要冷却模式。

对于产生固定扭矩的单个致动器，能量消耗在所公开范围内上升，并且朝向所公开范围内的最小柱高度和槽间距以指数增大。通过模拟使用具有32mm径向齿长和转子和绕组的单个200mm平均气隙直径致动器产生100nm扭矩所需的能量消耗，可以看出最低能量消耗发生在所公开范围之外，并且在所公开范围内能量消耗显著增加。为了最小化能量消耗，设计人员将被引向更大的槽间距和更大的导体体积设备。对于这种类型的应用，使用本发明设备的几何形状的任何致动器将具有比在所公开范围之外朝向更大的槽间距和导体体积值的那些更高的能量消耗。

利用所公开的结构，该结构中电机的极载体包括槽和柱，该槽具有槽或极间距s，并且柱具有高度h，其中根据所公开的方程s与h相关，对于槽中的导体可施加电激励，电流密度为至少70a/a/mm2。通常认为超过70a/mm²的电激励适合于所公开的设备的操作。具有所公开的槽和导体结构的冷却效应提供冷却以抵消由导体中的电流生成的一些或全部热量。所生成的任何剩余热量可以使用所公开的冷却结构或通道中的一者或多者来消散。所公开范围内的马达显示出对于给定的电输入功率，磁通路径中的平均通量密度的减小。这部分地归因于较短柱的通量路径长度减小以及通过护铁从柱到相邻柱的距离减小，以及柱与柱之间的通量泄漏减少。结果是能够在所公开范围内在马达中运行更高的电流密度而不会达到饱和。与在所公开范围之外的马达相比，在给定电流密度下增加的冷却能力和较低的通量密度的组合产生一种条件组合，其中在给定冷却速率下对于给定温度可实现更高的连续扭矩重量比，并且其中由于在所公开范围内针对给定扭矩重量比以较低的通量密度操作，因此在所公开范围内的马达的峰值瞬时扭矩重量比可以明显更高。

为了实现所公开的几何形状的性能和能量消耗益处，必须克服的最重要的挑战之一是提供能够承受转子和定子之间存在的巨大磁力的结构。所公开的转子的实施方案可在气隙中实现异常高的通量密度，从而导致定子柱上的高吸引力。同时，实现所公开的电机的实施方案的高扭矩重量比需要使用具有轴向厚度的护铁，在一个实施方案中，该轴向厚度小于柱的周向厚度(并且，在一个实施方案中，大约是柱的厚度的一半)。此外，所公开的轴向通量马达配置和所公开范围的相对短的定子柱导致固有的薄定子结构。利用径向通量马达，可以使用具有集成柱的圆形层压件。这具有固有的刚性，并且自然地提供沿着层压件的周向和径向取向的理想的通量路径。相反，本设备的实施方案的轴向通量功能需要组装各个层压零件。结果是需要为每个致动器制造多达数百个柱部件，这增加了制造复杂性、时间和成本。此外，相对较薄的护铁不为许多封装化合物或粘合剂提供足够的表面积以将柱可靠地固定到护铁，尤其是在电机常见的高频力变化和高温下。例如，可能用于将定子柱固定到定子中的接收槽中的典型航空航天粘合剂可能具有低于80摄氏度的热变形温度，以使环氧树脂上的应力小于300psi。

实施方案的护铁盘可以由层压件、粉末金属或固态金属制成。层压件的使用具有一定的优点，包括冲压材料构造的可能性；然而；如果使用层压件，它们必须通过能够承受设备操作的力和温度的装置附接。常用方法(诸如胶水)对于力和/或温度高的某些操作方案可能是不够的。尽管如此，叠片可能是其他方案的良好选择，并且预期适用于许多高速应用。

使用在每个颗粒上具有电绝缘体涂层的粉末金属作为实施方案的护铁具有减少涡流的优点。然而，这种涂层通常会减小磁力，因为它在通量路径中起到多个微小气隙的作用。这种材料通常也不如固态钢或铁坚固，具有明显更高的蠕变速率，特别是在高温下。

由固态钢制成的定子通常具有高涡流损耗。然而，在所公开范围内的马达的几何特征具有涡流和磁滞减小效果，在本发明设备的实施方案的一些操作体系中，例如当以适合于机器人技术的速度操作时，涡流损耗可以足够低以使得能够使用固态定子。使用固态材料有益于强度、刚性、耐热性和疲劳强度。由于本发明设备的实施方案在某些应用中通常可以在没有齿轮箱的情况下生成要使用的足够扭矩，因此所得的操作速度可以足够低以使得即使在用固态钢定子的情况下涡流损耗也是可接受的。已发现固态铸铁具有足够低的涡流损耗，在某些配置和操作方案中是实用的。

定子可以由层压堆叠或烧结粉末金属构造。与使用固态材料相比，这些构造的目的是减小垂直于通量路径的电绝缘软磁材料的横截面积，并且因此减少涡流的生成。涡流因需要额外的输入功率而使效率降低；涡流会产生额外的热量，必须由系统消散；并且涡流因产生阻尼效应而使输出扭矩降低。

由固态导电材料制成的单件式定子可以在所公开的极密度和柱高度范围内与所公开的设备的实施方案一起使用。为了避免生成涡流，应用的速度应当足够低，例如对于具有所公开的几何形状范围的175mm平均气隙直径电机，组成操作的50％(60％、70％、80％、90％)的占空度处于200rpm或更少。通过将该相对较低的速度范围与所公开范围内的定子齿的相对较小的横截面几何形状相结合，各个定子齿的作用稍微类似于叠片并且减少涡流的产生。通常认为小于200rpm的速度适合于设备的操作。小于100rpm、小于50rpm以及小于25rpm的速度也被认为适合于设备的操作。

另外，在所公开范围内，通过相对短的齿高度减少涡流的产生。涡流和磁滞损耗是体积相关的，因此对于给定的通量密度和开关频率，本设备的低体积有助于降低总铁损。

连续的通量路径可以例如由由各向同性材料诸如球墨铸铁、钢合金诸如钴或硅钢、压制或烧结粉末金属制成的定子提供。金属可以是从柱到相邻柱各向同性的并且从柱到轴承座圈或柱到连接到轴承的构件或组件(包括从护铁到散热片和/或到轴承的可变材料合金)是各向异性的。这可以通过爆炸焊接或熔融沉积增材制造，或搅拌焊接或组合不同材料的其他形式来完成。

定子可以是从柱到相邻柱以及从柱到轴承座圈的单件或整体。定子可以是从柱到柱以及从这些柱中的一个到压缩的构件或组件的整体，以便预加载轴承。定子可以是从柱到柱以及从这些柱中的一个到压缩的构件或组件的整体，以便预加载轴承，并且全部或部分压缩载荷是定子和转子之间的磁吸引力的结果。在预加载轴承的情况下，如果轴承存在，则外壳组件可以足够柔性以使轴承座圈在轴承预加载的方向上移置超过轴承座位置，如果轴承不存在，则移置多于.002”。在预加载的轴承的情况下，外壳组件可以足够柔性以使轴承座圈在轴承预加载的方向上移位，如果轴承存在，则超过轴承座位置，如果轴承不存在，则超过.002”，并且通过定子对转子的磁吸引力，至少部分地提供施加在定子上以引起外壳变形的力。

现在将描述具有支撑转子的内轴承和外轴承的电机的实施方案。

图52至图59示出了在所公开的极密度和柱高度范围内的设备的示例性定子3802和转子3801的概述和简化截面视图，该设备插入作为无框架马达/致动器的机械臂3800中。需注意，为简明起见，这些附图中未示出导体和布线。用于臂枢轴支撑的外轴承3804还用于限定气隙3809。这允许在系统中使用无框架致动器，而没有单独的致动器外壳的质量和复杂性。可以在无框架致动器组件的id上结合间隔环3803使用附加轴承3808，以保持具有较长径向柱长度的所需气隙尺寸。联锁特征3812(图59)允许通过在外壳突片3816之间滑动定子突片3812并且根据图57中的迂回的路径3815将其锁定就位而将定子3802附接到下臂外壳3806和下臂外壳3807。转子上的类似突片3814将转子3801固定到上臂外壳3805、3810和内轴承间隔环3803。定子和转子的质量仅通过附加的固定特征3814、3812以及轴承间隔环3803和内轴承3808的重量而增加。间隔元件3803可由低密度材料(诸如铝或镁)制成。该示例性实施方案具有175mm的平均气隙直径和25mm的径向柱长度。各向同性钢合金或铁合金定子3802和具有护铁的各向同性钢合金或铁合金转子3801具有足够的刚性，以在id和od处用轴承支撑时保持0.005”的气隙。

在一个实施方案中，转子3801和定子3802之间的磁吸引力可用于在轴承3804、3808上提供预载荷，并且可用于减少或消除对紧固件的需要，以保持轴承分别安置在上臂和下臂外壳3805、3806中。这种构造被认为在简单性和重量轻方面是有益的，从而允许整个臂组件比使用所公开范围之外的马达更轻。

由于转子3801和定子3802之间的轴向向内的磁吸引力，它们必须都被固定以防止在气隙3809处朝向彼此移动。实现轻质但刚性的机械臂外壳是有益的，因此该示例性实施方案提供了一种从致动器的气隙轴向端组装臂和磁性部件的方法。这是通过在定子3802和转子3801的od上使用一排突片3812、3814来实现的，这些突片允许定子和转子插入外壳3805、3806中，然后转动以与外壳3805、3806上的匹配的突片3816、3813阵列接合。螺纹接合将是另一种选择。

一旦转子3801和定子3802组装在其相应的臂中，具有定子的上臂组件和具有转子的下臂组件就被放在一起。然后，转子和定子之间的力将预加载轴承3804、3808并将臂关节保持在一起，对于这种尺寸的设备，轴向力高达约400kg。

本设备的10od致动器可在定子或转子之间具有高达15001bs或更高的无源pm预载荷。这使得装配非常具有挑战性甚至是危险的。本设备的实施方案允许在定子和转子组装在一起之后插入pm。这允许在任何pm及其磁力添加到组件之前定子和转子以及轴承和连接的精确且低风险的对准。

单独地添加和移除磁体的能力对于大型马达/致动器而言非常有帮助，以允许拆卸以维修轴承等。这种过程所需的唯一工具是磁体移除工具。如果在移除转子之前无法移除磁体，则大型致动器可能需要10,000lbs或更大的力来移除转子。

通过在轴向或圆锥形马达的id和od上使用轴承，可以在轴承上实现合理一致的轴向预载荷。这具有许多潜在的优点：(a)在相反的轴向方向上可能不需要轴承座圈保持；(b)尽管轴承安置、磨损或热膨胀，轴承的预载荷仍可保持合理恒定，因为通过磁吸引力提供了预载荷，如果轴承座圈在轴向方向上相对于彼此移动与正常使用中所预期的一样多，则磁吸引力不发生明显改变；和(c)这也可能具有允许更低的轴向制造公差的额外优点。

尽管已经相对于本发明的优选实施方案进行了前述描述，但是本领域的技术人员将理解，许多变化和改变是可能的。上面已经讨论了这些变化中的一些，并且其他变化对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。

在权利要求书中，词语“包括”以其包含性含义使用，并且不排除存在其他元素的可能性。在权利要求特征之前的不定冠词“a/an”不排除存在不止一个功能，除非从上下文中清楚地知道只有一个元素。