高頻電動機或者發電機的製作方法

2023-06-30 17:44:46 2

專利名稱：高頻電動機或者發電機的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及電動機、發電機，以及再生式電動機。在本文中術語再生式電 動機指既可作為電動機工作也可作為發電機工作的裝置。更具體地，本文涉及包括一種定 子裝置的電動機、發電機，或者再生式發電機，所述的定子裝置本身包括多個單個的電磁組 件，其中每個獨立的電磁組件包括一個用薄膜軟磁材料形成的相關聯的整體式磁芯。本文 揭示一種包括用薄膜軟磁材料形成的磁芯的高頻電動機或者發電機。
背景技術：
電動機和發電機工業不斷地尋求提供提高效率和功率密度的電動機和發電機的 方式。現在有時人們認為用永久的超級磁體轉子(例如鈷稀土磁體和釹鐵硼磁體)和包括 有薄膜軟磁材料形成的磁芯的電磁體的定子構成的電動機和發電機，具有潛力可提供較常 規電動機和發電機更高的效率和功率密度。而且，由於用薄膜軟磁材料形成的磁芯能夠較 常規的鐵芯材料更快地響應磁場的變化，用薄膜軟磁材料形成的磁芯具有潛力允許電動機 和發電機內部能夠更快的磁場切換，並且因此使得相較於傳統鐵芯，電動機和發電機速度 更高且更好地受控。然而迄今為止，事實證明提供易於製造的包括用薄膜軟磁材料形成的 磁芯的電動機或發電機十分困難。而且，迄今已經揭示的構形沒有充分地利用這些潛在地 更加有效的材料在某些應用中的能力。諸如非晶體的金屬之類的薄膜軟磁材料通常供應於一均勻帶寬的連續薄帶中。過 去，通過把非晶體金屬帶輥軋成卷材，對卷材退火，然後用諸如環氧樹脂之類的粘合劑浸漬 和封裝形成非晶體的金屬芯。然而，該材料是非常硬的材料，使之非常不便於切割或成型， 尤其是它一旦疊層壓為塊件以後。還有一旦退火以達到峰值磁性以後，這些材料變得非常 脆。這使用常規的方法構成磁芯非常的困難和昂貴。非晶體的金屬磁芯的另一個問題是，受到物理性應力時，非晶體的金屬材料的導 磁率下降。視在非晶體的金屬材料上的應力強度而異，導磁率的下降可以是很大的。當非 晶體的金屬磁芯受到應力，磁芯引導和聚集磁通量的效率降低，導致高磁損耗、效率降低、 產熱增加、以及功率降低。該現象稱為磁致伸縮，並且可以由在電動機或者發電機運行時的 磁力造成的應力、機械夾卡或者以其它方式把磁芯固定在位而產生的機械應力、或者熱膨 漲和/或由於非晶體的金屬材料的磁飽和引起的膨漲造成的內應力引起。
在授予本申請人並且都收入本文作為參引的兩篇美國專利5，982，070和 6，259，233中，討論了某些構成電動機和發電機的方法和結構。在這些後文分別稱為專 利』 070和專利』 233的專利中，多個非晶體的金屬芯件支持在一個介電殼內，以形成一個總 體的非晶體的金屬芯。授予Mischler等人的另一篇美國專利4，255，684說明了另一種使用 非晶體的金屬材料的電動機結構。儘管這些方法使用非晶的金屬芯構成電動機和發電機， 但是有一些與這些方法相關聯的內在的問題。例如，使用多個芯件形成總體的磁芯意味著 在鄰接的芯件之間有附加間隙，在磁通流經磁芯時磁通必須跨越這些附加的間隙。這些附 加間隙發生在磁通必須從一件或者一層芯材通過到另一件或者一層芯材的任何點。儘管可 以通過把各種芯件製造成具有非常緊密的容差，而把所述的間隙做得非常地小，並且可以 用環氧樹脂填充，但它們還是造成附加損耗，與沒有這些間隙的磁芯相比較，這在磁通流經 該磁芯時降低了效率。除了附加間隙問題以外，』 070專利和』 233專利使一直按適當的方位定向非晶的 金屬磁性材料較為困難。這對於這些專利中揭示的徑向間隙裝置尤其是這樣。薄膜軟磁材 料的適當定向對於最大化磁通能夠流經芯材料的效率是重要的，因此對於提高裝置的效率 是重要的。在』 070專利和』 233專利中揭示的軸向間隙構形的情況下，軸向間隙裝置的物理構 形使得保持轉子與定子之間的適當的氣隙較為困難。因為磁力沿裝置的旋轉軸線軸向地作 用，必須使用具有非常緊的容差的昂貴的軸承以支持並固定轉子於適當位置。還有，支持定 子的殼體材料必須能夠耐受這些非常高的軸向力，而在裝置的壽命期間沒有形變。而且，因 為定子和轉子支持構件是基本上為圓盤形的構件並且大體上是平面的，它們易於因大的軸 向磁力和因裝置的正常運行中普遍產生的溫度改變引起的內部應力而翹曲或者變形。隨著 考慮越來越大的軸向間隙裝置，轉子和定子之間的磁力越來越大，並且進一步加重該問題。

發明內容
本發明提供改進的方法和結構，以提供使用由薄膜軟磁材料形成的磁芯的電動 機、發電機和再生式電動機。本發明還提供改進了的電動機、發電機，和再生式電動機構形， 其可更加充分地利用與使用由薄膜軟磁材料形成的磁芯相關聯的潛在益處。如後文將更詳細地說明，在本文中揭示用作電動機、發電機，或者再生式發電機等 裝置中的定子裝置的一部分的磁芯。還揭示了使用所述磁芯的定子裝置和製造該定子裝置 的方法，以及使用所述定子裝置的裝置和製造所述裝置的方法。所述裝置和定子裝置包括 多個可獨立地賦能的電磁組件，同時每個獨立的電磁組件包括一個由薄膜軟磁材料形成的 相關聯的整體式磁芯。每個獨立的電磁組件設有兩個位於整體式磁芯相反端的定子磁極。 每個整體式磁芯為與每個獨立的電磁組件相關聯的兩個相反的定子磁極體提供磁通量回 路。在一個實施形式中，所述的裝置是徑向間隙裝置，並且由薄膜軟磁材料形成的磁 芯是U形的，同時定子磁極位於U形磁芯的腿的端部。在該實施形式的一個例子中，薄膜軟 磁材料是納米晶體材料。根據本發明的另一個方面，每個獨立的電磁組件可以獨立地拆卸 和更換。還有，所述的裝置可以是多相的裝置，並且所述的裝置可以是開關磁阻裝置、感應 裝置、或者永磁裝置。
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在另一個實施形式中，所述的裝置是高頻裝置。在此實施形式中，所述裝置包括 一個轉子裝置，所述轉子裝置受支承可繞一給定的旋轉軸線以一定的標稱運行轉速範圍旋 轉。轉子裝置包括多個與定子磁極磁性地相互作用轉子磁極。轉子磁極受支承可繞旋轉軸 線沿圓形路徑轉動。所述的裝置還包括用於控制電磁組件開關裝置。所述開關裝置構形為 使開關裝置在至少部分的標稱工作轉速範圍內運行所述裝置時，可使電磁組件的定子磁極 與轉子裝置的轉子磁極以至少每秒鐘500周的頻率磁性地相互作用。在該實施形式的一個 變例中，轉子磁極的數量設為所述開關裝置引起電磁組件的定子磁極與轉子裝置的轉子 磁極磁性地相互作用，使得在裝置的運動過程中，所述裝置的以每秒周期計的頻率與所述 裝置的每分鐘轉數的比大於1比4。在另一個實施形式中，所述的裝置是徑向間隙裝置，並且電磁組件包括U形的整 體式磁芯，所述磁芯形成為使每個電磁組件的定子磁極位於U形磁芯腿的端部。電磁組件 繞轉子磁極的圓形路徑設置。每個電磁組件定位為每個電磁組件的兩個定子磁極彼此相 鄰地定位，並且沿與裝置的的旋轉軸線平行的線相互成一條直線。在該實施形式的一個變 例中，轉子磁極是由相鄰的永磁體段對形成的轉子磁極對，所述的永磁體段形成相反磁極 性的轉子磁極。每對永磁體段設置為兩個永磁體段彼此鄰接，並且沿與裝置的旋轉軸線平 行的線相互成一條直線，從而在轉子繞裝置的旋轉軸線轉動時，兩個永磁體段確定兩個繞 裝置的旋轉軸線的相鄰的圓形路徑。每兩個相鄰圓形路徑中每一個面對每個電磁組件的其 中一個相關的定子磁極。在此變例中，轉子裝置包括至少36對相鄰的轉子磁極，而定子裝 置包括至少48個電磁組件。定子磁極可以安排得面向內朝向裝置的旋轉軸線，或者可選擇 地，可以安排得面向外背離裝置的旋轉軸線。在本文中說明了一種薄膜軟磁材料。本領域內普通技術人員非常熟悉有關磁性材 料的術語「薄膜」和「軟」的意義。現在Honeywell公司銷售的METGLASSTM牌現在是一種薄 膜軟磁材料的商品名。術語「薄膜」通常指稱厚約5. OSxlO-3Cm或者少於5. 08xl0_3cm(即厚 約2/1000英寸或少於2/1000)。但是這僅是一個近似值，也可以考慮較厚的軟磁材料。與 設置磁極的硬磁材料相比，術語「軟」指其磁極易於操作或者切換的材料。


從下面參照附圖對本發明的優選實施例的說明中可以很好地理解本發明，在附圖 中圖1是根據本發明設計的裝置的示意性截面圖，包括轉子裝置和具有多個電磁組 件的定子裝置。圖2是沿圖1的線2-2的圖1的裝置的截面圖。圖3是根據本發明設計的裝置的另一個實施形式的示意性截面圖，包括轉子裝置 和具有多個電磁組件的定子裝置。圖4是沿圖3的線4-4的圖1的裝置的截面圖。圖5是用於形成根據本發明的整體式磁芯的薄膜軟磁材料線圈的示意性側視圖。圖6是兩個定子磁極構形的示意性平面圖。
具體實施例方式參見附圖，在全部附圖中相同的部件用相同的標號標示，首先參見圖1和2。圖1 示出根據本發明設計的裝置100的截面圖。儘管在本說明的中不同處把裝置100稱為電動 機或者發電機，然而應當理解，視使用裝置100時的不用應用要求而異，裝置100可以採取 電動機、發電機、交流發電機，或者再生式電動機的形式。為了便於說明，術語再生式電動機 指既可以指作為電動機運行的裝置也可以作為發電機運行的裝置。而且，儘管下面大多數情況下，將裝置100作為直流無刷電動機進行說明，應當理 解，其也可採取各種其它類型電動機和/或發電機的形式，而仍然在本發明的範疇內。所述 其它類型的電動機和/或交流發電機/發電機包括但是不限於直流同步裝置、各種磁阻或 者開關磁阻裝置，和感應式電動機。這些不同類型的裝置的具體差別對於本領域內普通技 術人員是公知的，因此不詳細地說明。例如，儘管裝置100在大多數情況下以使用永磁體作 轉子磁極的直流無刷電動機進行說明，但是應當理解，在開關磁阻裝置或者感應裝置中轉 子磁極不是永磁體。相反，這些裝置的轉子磁極也可能由其它磁性材料的凸起來提供，所述 其它磁性材料的凸起由諸如鐵或者優選地薄膜軟磁材料之類的材料疊層形成，如同在下文 中稱作為本發明的定子芯材料那樣。在圖1中清楚地示出，裝置100包括轉子裝置102和定子裝置104。在該實施形式 中，裝置100採取轂式電動機/發電機的形式，且轉子裝置102繞裝置100的外圓周定位。 定子裝置104位於轉子裝置102的內側。圖2是沿圖1的線2-2的裝置100的截面圖，在 圖2中可以清楚地看出，轉子裝置102由軸承110支承，從而轉子裝置102可以繞定子裝置 104旋轉。氣隙108把轉子裝置102與定子裝置104分離開。儘管圖示裝置100使用軸承110支承轉子裝置102，以繞定子裝置104和軸線106 旋轉，但這不是必須的。相反，應當理解，可以利用任何其它適當的和容易得到的結構支承 轉子裝置102，而仍然在本發明的範圍。還有儘管裝置100說明為轂式電動機/發電機，但 是這不是本發明所必須的。相反，如下文還要更加詳細地說明那樣，所述的裝置可以是任何 類型的電動機、發電機，或者再生式電動機，只要所述裝置包括多個具有用薄膜軟磁材料形 成的磁芯、同時電磁體按照本發明構形的定子裝置。參照圖1和圖2，下面更加詳細地說明轉子裝置102。在此實施形式中，裝置100 是徑向間隙型裝置，並且轉子裝置102包括48對徑向鄰接的永磁體段112。永磁體段112 可以是超導磁體，譬如鈷稀土磁體，或者任何其它適當的和容易得到的磁性材料。48個磁 體段對112中每一對包括取向形成轉子北極112a的第一磁體段和取向形成轉子南極112b 的第二磁體段。如圖2中所示，北極112a與南極112b相鄰接設置，使這兩個永磁體段沿平 行於裝置的旋轉軸線的直線相互成一條直線。以此取向，在轉子裝置繞所述裝置的旋轉軸 線轉動時，每個磁體對112的兩個永磁體段112a和112b確定兩個繞裝置100的旋轉軸線 106的相鄰的圓形路徑。如圖1中清楚地示出，該48個磁體對沿轉子裝置102的內圓周設 置，面對氣隙108，同時每個相繼的對反向設置，從而所有相鄰的磁體段繞整個轉子裝置，沿 由磁體段112對確定的這兩個圓形路徑，從北極到南極交替。儘管磁體112說明為永久的超導磁體，但是這不是必須的。可選擇地，磁體可以是 其它磁性材料的，或者在某些情況下可以是電磁的。而且，儘管所說明的轉子包括48個磁 體對，應當理解，轉子可以包括任何數量的磁體對，而仍然在本發明的範疇內。並且，最後，儘管所說明的轉子裝置包括磁體，但是這不是必須的。例如，在開關磁阻電動機或感應式電 動機的情況下，轉子裝置102就根本不包括磁體。相反，如本領域內普通技術人員所理解， 轉子裝置可以用鐵基材料或者某些其它材料構成，譬如用薄膜軟磁材料構成，以形成由定 子裝置的切換產生的旋轉磁場所驅動的轉子磁芯。在此實施形式中，定子裝置104包括48個獨立的電磁組件114。每個電磁組件 114包括一個相關聯的由納米晶體的、薄膜軟磁材料材料形成的整體式磁芯116，和一對線 圈118。在圖2中可以清楚看到，每個整體式的磁芯116都是U形，同時線圈118繞U形磁 芯116的腿設置。用該構形，每個獨立的電磁組件設有兩個位於整體式磁芯的相反端的兩 個定子磁極120a和120b。如圖1所示，電磁組件114繞轉子磁極的圓形路徑設置。從圖2 中可清楚看到，每個電磁組件114設置為使每個電磁組件的兩個定子磁極120a與120彼此 相鄰定位，並且這兩個磁極沿平行於裝置的旋轉軸線的直線相互成一條直線。這把每個電 磁組件的兩個定子磁極置於面對氣隙108並且與磁體段對112a和112b為面對的關係。儘管所說明的磁芯116為由納米晶體的薄膜軟磁材料形成，但這不是本發明必須 的。相反，可以使用任何薄膜軟磁材料。這些材料包括但是不限於總體上稱為非晶體金屬 的材料、與用某種方式處理以進一步降低材料的晶體結構尺寸的納米晶體材料在元素合金 成分上類似的材料、以及任何其它與非晶體金屬和納米晶體材料有類似的分子結構的薄膜 材料，而不論用於控制材料的分子結構的尺寸和取向的具體處理是怎樣的。還有，儘管所說明的電磁組件114包括一對位於U形磁芯116的腿上的一對線圈， 但是這不是本發明必須的。相反，該線圈可以是位於U形基底的單個線圈、沿磁芯的整個長 度走行的單個線圈、或者其它任何使用一個或多個線圈的所要求的構形。如圖1所示，所述 線圈可以是繞在U形磁芯的每個腿的一端上的漸縮線圈。這種構形使得能夠在一端上有較 大的匝數，以更加充分地填充在較遠離旋轉軸線的區域中於磁芯之間留有的較大間隙。而 且，這些線圈可以直接繞制在磁芯件上，或者，可選擇地，線圈可以與磁芯件分開形成，繞在 絕緣物上，或者用其它方式絕緣設置，再在電磁組件的組裝過程中滑動地套在磁芯上。根據本發明的一個方面，每個整體式的磁芯116提供與每個獨立的電磁組件114 相關聯的兩個相反的定子磁極120a和120b的整個磁通量迴路。這種構形不再需要傳統類 型的磁性地互連所有定子磁極的磁芯材料的護鐵(back iron) 0由於不再需要所有定子磁 極共用的護鐵的，與使用包括磁性互連定子磁極的共用護鐵的常規構形的尺寸類似的裝置 相比較，降低了裝置的重量。電磁組件114可以使用任何常規的把元件固定在位的方式機械地固持在適當位 置。例如，電磁組件114可以使用導熱、介電的環氧樹脂之類的封裝材料罐裝或者封裝成一 個完整的整個的定子。然而，每個電磁組件也可以單獨地封裝成楔形件，譬如圖1中所示的 楔形件122。然後可以藉助圖2中位於電磁組件的每一側以支承件122的元件124等圓盤 形結構元件把這些楔形件組裝成一個整個的定子。可選擇地可以使用任何適當的和容易得 到的結構支承所述楔形件，而仍然落入本發明的範疇中。因為每個電磁組件114可以提供為包括其自身的整體式磁芯的獨立組件，所述整 體式磁芯提供相關聯的電磁組件定子磁極的整個磁通量迴路，這些組件可以構形為使之易 於拆卸和更換。例如，如上所述，每個電磁組件可以獨立地封裝並且再組裝成一個整個的定 子。這使得任何給定的電磁組件都相對易於拆卸和更換。這種相對易於更換電磁組件的能力提高了裝置的可維修性。而且，這種模塊式的方法使得具體的電磁組件構形可以用於各 種裝置的設計中，從而潛在地改善使用該方法或得規模的經濟狀況。儘管所說明的電磁組件是封裝的，但是這不是本發明必須的，相反，可以組裝電磁 組件並且然後簡單地夾卡在位，而不使用封裝。因此，應當理解，可以使用任何公知的方法 把電磁組件固定在其各自的位置。如上所述，裝置100包括確定48對定子磁極的48個電磁組件。裝置100還包括 確定相應的48對轉子磁極的48對磁體段。在該實施形式中，定子裝置104接線成單相裝 置。就是說，每個電磁組件都串連地接在一起，如圖1中用電線126所示。而且，該裝置具 有1比1的定子磁極對轉子磁極比。儘管所說明的本實施形式的定子磁極對轉子磁極比為 1比1，但是這不是本發明所必須的。相反，該裝置可以是多相的裝置，或者是具有任何所要 求的定子磁極對轉子磁極比的裝置。儘管所說明的裝置100為，轉子裝置繞所述裝置的外圓周，且定子裝置位於轉子 裝置的內側，但是這不是本發明所必須的。相反，定子裝置可以繞裝置的外圓周，而轉子裝 置位於定子裝置的內側，如圖3和4所示。這些圖中示出包括轉子裝置302和定子裝置304 的裝置300。如圖4中清楚地所示，定子裝置304包括48個電磁組件306，除以相反的方向 取向外，所述的電磁組件306使用與裝置100所使用的磁芯相同的磁芯。每個電磁組件306 還包括線圈308。除了以相反的方向漸縮，從而在U形磁芯116的每個腿的基底設有更多 的線匝外，線圈308與裝置100中使用的線圈相同。由於其面向內的取向，這使得與U形磁 芯的端部相比，線匝可以更加充分地填充在U形腿的基底的較大的間隙中。為了圖示的目 的，裝置300設定為定子磁極與轉子磁極比為4比3的四相裝置。如圖3中所示，電線310 每隔四個電磁組件串連地連接，以產生4組12個電極組件，形成四相裝置。而且，轉子裝置 302隻包括36對轉子磁體段，而不是在裝置100中所說明的48對。如本領域內普通技術人 員所周知，這種構形降低了在單相裝置中流行的阻滯效應，並且與單相的裝置比較，在整個 裝置的旋轉中輸送更為一致的轉矩。現在參見圖5，下面更加詳細地說明圖1至4中所示的具體實施形式的磁芯116的 具體構形。每個獨立的整體式磁芯116通過把薄膜軟磁材料的連續帶卷繞成所要求的形狀 而形成。在磁芯116的情況下，所述形狀是大體上卵圓形狀，如圖5中的線圈500所示。因 為諸如非晶體金屬或納米晶體材料之類的薄膜軟磁材料通常為薄帶形式(例如薄於1密耳 厚)，線圈500可以由數百匝材料製成。一旦卷繞成所要求的形狀，線圈500可進行退火以 產生所要求的磁特性，然後用薄層粘著材料浸漬和封裝。一旦退火後，這些材料非常地硬並 且通常非常地脆，使它們有些難於機加工。在圖5中所示的實施形式中，線圈500切割成兩 個U形件，每個U形件提供一個上述的整體式磁芯116。如上所述，這種構形的一個優點是，當組裝成一個上述的電磁組件時，每個整體式 磁芯提供由U形磁芯的腿形成的兩個定子磁極的整個磁通迴路。這不再需要磁性地相互連 接每個定子磁極的護鐵。這種構形的另一個優點是在整體式磁芯內部沒有附加間隙。而且， 這種構形把薄膜軟磁材料層沿將磁通導向通過磁芯的適當方向取向。儘管說明了用薄膜軟磁材料卷繞磁芯件，這不是必須的。相反，磁芯可以通過疊迭 各個成形的條形材料形成任何所要求的形狀而形成。而且，各個條可以一個摞一個地疊放， 且每件具有相同尺寸和形狀的，或者，可選擇地，各個條可以並排地疊放，同時各個件具有不同的尺寸和形狀。這些不同的方法使得能夠形成更多的各種具體形狀。如本領域內普通技術人員所公知，當對薄膜軟磁材料進行退火時，薄膜軟磁材料 可以具有沿其最有效地引導磁通的方向。對於薄膜軟磁材料帶，這個方向通常為沿所述帶 的長度或跨帶的寬度。通過使用上述的適當的方法形成每個磁芯，磁芯可形成為使材料總 是取向為使磁通沿之最有效地弓I導磁通的材料的方向穿經所述件。裝置100和300還包括圖1和3中所示的開關裝置550，用於以交替的極性分別地 致動和停用線圈118和線圈308。開關裝置550可以是任何可以動態地致動和停用電磁組 件114和306的適當的和易於得到的控制器。優選地，開關裝置550是以遠高於在常規電 動機和發電機中通常速率進行致動和停用電磁組件的可編程控制器。這是因為可以在薄膜 軟磁芯中可以切換的磁場的固有速度。根據本發明的另一個方面，裝置100和300包括非常高磁極數的定子和轉子裝置。 如下面將詳細地說明那樣，與使用由薄膜軟磁材料形成的磁芯的現有技術電動機/發電機 相比較，這種高極數結構具有幾個基本的且意想不到的優點。如本發明背景部分中參引的 現有技術專利中所指出，現有技術已經說明了使用由非晶體金屬膜形成的磁芯。然而這 些電動機為使用非晶體金屬材料的高頻能力的低磁極數的電動機，提供非常高轉速的電動 機。本發明以新穎的方式利用這種高頻能力。取代使用高頻產生高轉速，本發明把由薄膜 軟磁材料形成的磁芯的高頻能力與特別高的磁極數相結合。這種結合提供了在保持易控制 轉速的同時，具有極高功率密度的裝置。儘管現有技術裝置可能能夠達到與本文所說明的裝置相當的功率密度，但現有技 術裝置通過提供非常高的轉速得到高的功率輸出。這意味著對於許多不要求高轉速的應用 來說，必須使用減速齒輪，使使用減速齒輪的整個系統損失效率。在許多情況下，根據本發 明的這個方面設計的裝置，不再需要減速齒輪，從而提高了使用所述裝置的整個系統的效 率。而且，由於本發明的裝置能夠在以比以前低得多的速度工作時輸出較高的功率密度，這 些裝置不受到高轉速裝置產生的極端的離心力。這使得與高轉速的裝置相比，根據本發明 的裝置生產更加可靠和經濟。除了以相對低的轉速提供非常高的功率密度的優點以外，根據本發明設計的裝置 提供另一個意料不到的優點。假定連接區域保持恆定，就是說，假定定子磁極與轉子磁極 之間存在的實際物理區域保持恆定，增加磁極數實際上降低了整個電磁組件所需要的材料 量。這示於圖6中，圖6為示出兩個不同的定子磁極構形的示意性平面圖。在左邊，一個方 形定子磁極裝置600包括一個定子磁極602和繞在定子磁極周邊的線圈604。在圖6的右 邊，定子磁極裝置606包括4個較窄的矩形磁極608a-d和相關聯的繞在每個定子磁極周邊 上的線圈610a-d。在此例中，定子磁極602的面積等於定子磁極608a-d的總面積。然而， 因為每個線圈610a-d只需要產生磁鏈的四分之一，裝置606的每個線圈610a-d與線圈604 相比，只需要具有線圈的四分之一，以提供大致同定子磁極裝置600相同的總磁鏈。如圖6中所示，兩個裝置600和606的總寬度W是相同的。而且，沿這兩個結構的 定子磁極的側面線包的面積是相同的，因此體積是相同的，如兩個裝置的線圈的畫交叉陰 影線的部分所示。然而，如在圖6中清楚地示出那樣，在裝置606中在定子磁極上方和下方 的線圈的厚度T2，並且因此其面積和體積，減小至裝置600的厚度T1的四分之一。這顯著 地降低與裝置相關聯的總體材料成本的權重。還有，因為每個定子磁極的面積按因數四降低，如果所述裝置是包括磁性地互連定子磁極以提供磁通迴路的護鐵，護鐵所需要的厚度 也按因數四降低。因為這些高磁極數的裝置提供與具有相同磁鏈面積的低磁極數的裝置的 相同的轉矩，這種所需要材料量的降低顯著地降低了與高磁極數裝置相關聯的重量、尺寸 和材料成本。上面所說明的設計本發明高頻/高磁極數裝置的一般方法，下面將以具體例子更 加明確地指出該方法的優勢。在第一例中，參照圖1和2，說明具有前述的構形的永磁電動 機。該構形把轉子放在接近裝置的外周邊外部，這為給定尺寸的裝置提供儘可能大的轉矩臂。在此第一例中，電動機設計得具有約8英寸的總直徑和約4英寸的總寬度。而且， 使用48對磁體段形成轉子磁極，並且使用48個電磁組件。每個U形的芯件都用具有0. 150 英寸帶寬的納米晶體材料形成，從而給出整體式U形磁芯總厚度為約0. 150英寸。對於本 例，整個U形磁芯約2又1/4英寸寬、1又3/4英寸高，且U形芯的每個腿從U形芯的基底突 起約3/4英寸，並且U形芯的兩個腿之間的間隔約1/4英寸。這樣的構形使得兩個定子磁 極具3/4英寸的長度並且具有約1英寸寬乘0. 150英寸厚的定子磁極面面積。在此例中， 通過沿所述腿的整個3/4英寸長度在每個腿上繞兩層18號(18-gauge)線，在U形芯的每 個腿上形成線圈。這產生約1/16英寸的線圈厚度，使用超導磁體形成轉子磁極，且每個磁 體段約3/16英寸厚和1英寸寬，同時每個磁體段具有沿轉子的旋轉路徑方向的約1/3英寸 的磁體跨度。這個構形使整個裝置具有約3又1/2英寸轉矩臂而重量僅約20磅。因為上述的裝置使用薄膜軟磁材料形成定子磁芯，該裝置設計為以至少達1500Hz 的頻率有效地工作。而且，因為使用48對磁體，同時每個圓形路徑具有48個極性上從北極 到南極交替的磁體段，轉子每旋轉一圈該裝置將行經24個周期。因此，當以每秒1500周工 作時，該裝置將以每秒62又1/2轉的轉速工作，也就是3750RPM。這得出大於現有技術裝置 的比數為0.4的非常高的頻率(1500Hz)對RPM(3750)比。該頻率與RPM之比是易於確定 的比率，並且本發明裝置的比率可以區別於現有技術的裝置。基於所證明的磁性成型方法和對於本發明構建的具體部件和裝置的試驗結果，按 照上述規格構成的電動機期望提供以下的性能特徵。如上所述，該電動機在0-1500HZ的頻 率範圍工作，並且以0-3750RPM範圍的速度旋轉。且該電動機僅重約20磅。峰值轉矩期望 為約70英尺磅，而連續轉矩約50英尺磅。峰值馬力在3750RPM約53HP，而該電動機期望在 3750RPM產生約35HP的連續馬力輸出。如從這些結果可見，按照本發明設計的裝置能夠有 非常高的功率密度。儘管上面說明的裝置具有48個磁體對和48個電磁組件，但是這不是必須的。事 實上，用於某些應用的本發明優選實施例中，可以在較大直徑的裝置中使用較高磁極數。例 如，在根據本發明設計、並且設計用作轂式電動機以直接驅動車輪的電動機的情況下，電動 機的總直徑可以相當大，並且磁體和電磁體的數量可以很多。為了闡述這一點，下面將簡短 地說明用於驅動車輪的轂式電動機的優選實施例。在此實施例中，轂式電動機將設計為具有15英寸的總直徑，這是普通車輪的尺 寸。基於這個車輪尺寸，該直接驅動轂式電動機的實施形式設計為以約1500RPM工作，因為 這會為給定車輪尺寸的車輛提供適當的最高速度。還有如上所述，該電動機將設計用於在 1-1500HZ的頻率範圍內工作。對於給定的這些參數，該電動機將具有1比1的頻率與RPM 比。而且，對於1比1的頻率與RPM比來說，該頻率對轉速比常規電動機高得多。而且，為
12了簡化該裝置以單相裝置進行說明，該裝置將需要每轉行經60個周期，需要120個轉子磁 極的磁極數，且在此例中需要120個電磁組件。使用與以上對8英寸電動機和圖1的裝置 100的相同設計，該120個電磁組件要繞的外周邊分布，並且這120個電磁組件向外朝面向 轉子磁體的方向定位。該構件要提供約7英寸的轉矩臂，或者是所說明的8英寸電動機的 兩倍。而且，因為每個電磁組件的厚度低於1/3英寸，並且裝置在轉子和定子之間的氣隙處 的圓周約44英寸，存在用於與以上所說明的8英寸電動機完全相同的尺寸和構形的120個 電磁組件的空間。通過放大前述的設計的比例，較大的15英寸裝置可提供以下的特性。如上所述， 該電動機在0-1500HZ的頻率範圍工作並且以0-1500RPM範圍的速度旋轉。電動機重約50 磅。轉矩是8英寸電動機的約五倍，即給出約350英尺磅的峰值轉矩，約250英尺磅的連續 轉矩。這是因為轉矩臂從3又1/2英寸加倍為7英寸，且電磁體的數量從48個變成120個。 因此轉矩按2乘120/48的因數，即等於5的因數增加。峰值馬力在1500RPM約100HP，而該 電動機應當在1500RPM產生約71HP的連續馬力輸出。當比較按照本發明設計的裝置時，頻率對RMP的比提供了易於區別的特徵。例如 當前可得到的電動機絕大多數設計用於在50至60Hz工作。這樣做的主要原因是這些頻 率是AC電網上可得到的頻率。然而這樣做的另一個原因及以該頻率提供AC電源的原因 之一是，這些頻率完全在常規的鐵芯電機的頻率容量之內。這些電動機還經常設計為在約 1800RPM的轉速工作。這使得這些類型的電動機的頻率與RPM比為60比1800或者說0. 03。即使在特殊鐵芯電動機的情況下，頻率通常保持在400Hz以下。這是因為鐵芯材 料不能夠響應如此快速的變化磁場而不引起以熱的形式表現的損耗。因此為了保持常規的 電動機和發電機頻率較低，這些裝置在過去設計為具有較低的磁極數。隨著能夠以較高頻 率工作的新型材料，譬如非晶體金屬的出現，趨向在常規的電動機設計中使用這樣的新型 材料。這使得這些使用新型的高頻材料的裝置能夠以較高的RPM工作。然而，本發明提供 了一種設計使用高頻材料的裝置的新方法。取代使用高頻材料以得到高速裝置，本發明把 高頻能力與極高的磁極數相結合提供具有高於現有技術裝置的頻率轉速比的裝置。例如， 當頻率以每秒周期測度而轉速以RPM測度時，按照本發明設計裝置將具有高於1比4的頻 率轉速比。高於0. 25的這種頻率轉速比提供可以有非常高的功率密度但仍以極易控制的 轉速工作的高失速轉矩裝置。簡而言之，本文揭示一種諸如電動機、發電機、和/或再生式電動機之類的裝置， 所述裝置包括多個可獨立賦能的電磁組件。每個獨立的電磁組件具有相關聯的用薄膜軟磁 材料形成的整體式磁芯。每個獨立的電磁組件設有兩個位於整體式磁芯的相反端部的定子 磁極。每個整體式磁芯提供與每個獨立電磁組件相關聯的兩個相反的定子磁極的整個磁通 量迴路。儘管以上說明的實施形式以具有特定相應取向的各種部件進行了說明，應當理 解，本發明可以採取更多種類的具體構形，各種部件以更多種的位置和相互取向設置，而不 偏離本發明的範疇。例如，儘管每個所說明的定子裝置為包括一定數量的定子磁極，並且每 個轉子說明為包括一定數量的轉子磁極，但是這不是必須的。相反，定子裝置可以包括任何 要求數量的定子磁極，並且轉子可以包括任何要求數量的轉子磁極，而依然在本發明的範 疇內。
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另外，本發明所述的裝置可以等效地施用於多種類型的電動機和發電機，只要裝 置的定子裝置包括多個電磁組件，同時每個組件具有用薄膜軟磁材料形成的整體式磁芯， 所述的整體式磁芯為該組件提供整個磁通量迴路。或者，可選擇地，所述裝置可以等效地施 用於多種類型的電動機和發電機，只要裝置的定子裝置包括具有用薄膜軟磁材料形成的磁 芯的電磁組件，並且以高於1比4的頻率轉速比工作。這些發電機和電動機包括但是不限 於DC無刷型、DC同步型、可變磁阻型或開關磁阻型、感應型等其它類型的電動機、發電機和 交流發電機。這些裝置還包括單相裝置和多相裝置。因此，應當認為所提出的例子是闡述 性而非限制性的，並且本發明不限於本文給出的細節，而是可以在所附權利要求書的範圍 內修改。
1權利要求
一種選自包括電動機、發電機和再生式電動機的裝置組中的裝置，其包括至少一個定子裝置，所述定子裝置包括多個可獨立地賦能的電磁組件，同時每個獨立的電磁組件包括一個相關聯的由薄膜軟磁材料形成的整體式磁芯，每個獨立的電磁組件設有兩個位於整體式磁芯相反端的定子磁極，每個整體式磁芯為與每個獨立的電磁組件相關聯的所述兩個相反的定子磁極提供整個磁通量迴路。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述的裝置是一個徑向間隙裝置。
3.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述整體式磁芯中每一個都是U形的，且所 述定子磁極位於所述U形磁芯的腿的端部。
4.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述薄膜軟磁材料是納米晶體材料。
5.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述獨立的電磁組件中每一個可獨立地拆 卸和更換。
6.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述的裝置選自包括開關磁阻裝置、感應裝 置、或者永磁裝置的裝置組。
7.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述的裝置是一旋轉裝置，並且所述裝置包 括一個轉子裝置，所述轉子裝置受支承可繞一給定的旋轉軸線以一定範圍的標稱運行轉速 旋轉，所述轉子裝置包括多個與所述定子磁極磁性地互相作用的轉子磁極，所述轉子磁極 受支承可繞旋轉軸線沿一圓形路徑轉動。
8.如權利要求7所述的裝置，其特徵在於，所述的裝置還包括一用於控制電磁組件的 開關裝置，所述開關裝置構形為在至少部分的標稱工作轉速範圍內運行所述裝置時，所述 開關裝置能夠使所述電磁組件的定子磁極與所述轉子裝置的轉子磁極以至少每秒鐘500 周的頻率磁性地相互作用。
9.如權利要求8所述的裝置，其特徵在於，所述轉子磁極的數量設置為所述開關裝 置引起所述電磁組件的定子磁極與所述轉子裝置的轉子磁極磁性地相互作用，使得在所述 裝置的運行過程中，所述裝置的以每秒周期計的頻率與所述裝置的每分鐘轉數之比大於1 比4。
10.如權利要求7所述的裝置，其特徵在於，所述的裝置是一徑向間隙裝置，且所述電磁組件包括一 U形整體式磁芯，所述磁芯構形為使所述每個電磁組件的定子磁 極位於所述U形磁芯的腿的端部，所述電磁組件繞所述轉子磁極的圓形路徑設置，每個電 磁組件設置為每個電磁組件的所述兩個定子磁極彼此相鄰地定位，並且沿與所述裝置的 旋轉軸線平行的線相互成一條直線。
11.如權利要求10所述的裝置，其特徵在於，所述轉子磁極是由相鄰的永磁體段對形 成的轉子磁極對，所述永磁體段中每一對構形形成相反磁極性的轉子磁極，永磁體段中每 一對設置為所述兩個永磁體段彼此鄰接設置，並且沿與所述裝置的旋轉軸線平行的線相 互成一條直線，使得在所述轉子繞所述裝置的旋轉軸線轉動時，所述的兩個永磁體段確定 兩個繞所述裝置旋轉軸線的相鄰圓形路徑，所述兩個相鄰的圓形路徑中每一個面對每個電 磁組件相關聯的一個定子磁極。
12.如權利要求11所述的裝置，其特徵在於，所述轉子裝置包括至少36對相鄰的轉子 磁極。
13.如權利要求10所述的裝置，其特徵在於，所述定子裝置包括至少48個電磁組件。
14.如權利要求10所述的裝置，其特徵在於，所述定子磁極面向內朝向所述裝置的旋 轉軸線。
15.如權利要求10所述的裝置，其特徵在於，所述定子裝置面向外背離所述裝置的旋 轉軸線。
16.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述裝置是多相裝置。
17.一種定子裝置，用於一選自包括電動機、發電機和再生式電動機的裝置組中的裝 置，所述的裝置包括至少一個定子裝置，所述定子裝置包括多個可獨立地賦能的電磁組件， 且每個獨立的電磁組件包括相關聯的由薄膜軟磁材料形成的整體式磁芯，每個獨立的電磁 組件設有兩個位於整體式磁芯相反端的定子磁極，每個整體式磁芯為與每個獨立的電磁組 件相關聯的兩個相反的定子磁極提供整個磁通量迴路。
18.一種整體式磁芯，用於一選自包括電動機、發電機和再生式電動機的裝置組中的 裝置，所述的裝置包括至少一個定子裝置，所述定子裝置包括多個可獨立地賦能的電磁組 件，同時每個獨立的電磁組件包括相關聯的由薄膜軟磁材料形成的整體式磁芯，每個獨立 的電磁組件設有兩個位於整體式磁芯相反端的定子磁極，每個整體式磁芯為與每個獨立的 電磁組件相關聯的兩個相反的定子磁極提供整個磁通量迴路。
19.如權利要求18所述的磁芯，其特徵在於，所述整體式磁芯是U形的，同時所述定子 磁極位於所述U形磁芯的腿的端部。
20.如權利要求18所述的磁芯，其特徵在於，所述薄膜軟磁材料是納米晶體材料。
21.一種用於製造選自包括電動機、發電機和再生式電動機的裝置組的裝置的方法，所 述的方法包括以下步驟提供多個可獨立地賦能的電磁組件，每個獨立的電磁組件包括一相關聯的由薄膜軟磁 材料形成的整體式磁芯，每個獨立的電磁組件設有兩個位於所述整體式磁芯相反端的定子 磁極，且以每個整體式磁芯為與每個獨立的電磁組件相關聯的兩個相反的定子磁極提供整體 磁通量迴路的方式，把所述獨立的電磁組件組裝成至少一個定子裝置。
22.如權利要求21所述的方法，其特徵在於，所述的裝置是一個徑向間隙裝置。
23.如權利要求21所述的方法，其特徵在於，所述整體式磁芯中每一個都是U形的，且 所述定子磁極位於所述U形磁芯的腿的端部。
24.如權利要求21所述的方法，其特徵在於，所述薄膜軟磁材料是納米晶體材料。
25.如權利要求21所述的方法，其特徵在於，所述獨立的電磁組件中每一個可獨立地 拆卸和更換。
26.如權利要求21所述的方法，其特徵在於，所述的裝置選自包括開關磁阻裝置、感應 裝置、或者永磁裝置的裝置組。
27.如權利要求21所述的方法，其特徵在於，所述的裝置是一旋轉裝置，且所述方法包 括組裝轉子裝置使其受支承可繞一給定的旋轉軸線以一定範圍的標稱運行轉速旋轉，所述 轉子裝置包括多個與所述定子磁極磁性地互相作用的轉子磁極，所述轉子磁極受支承可繞 所述旋轉軸線沿一圓形路徑轉動。
28.如權利要求27所述的方法，其特徵在於，所述的方法還包括提供一用於控制電磁組件的開關裝置，所述開關裝置構形為在至少部分的標稱工作轉速範圍內運行所述裝置 時，所述開關裝置能夠引起所述電磁組件的定子磁極與轉子裝置的轉子磁極以至少每秒鐘 500周的頻率磁性地相互作用。
29.如權利要求28所述的方法，其特徵在於，所述轉子磁極的數量設置為所述開關裝 置引起電磁組件的定子磁極與轉子裝置的轉子磁極磁性地相互作用，使得在所述裝置的運 行過程中，所述裝置的以每秒周期計的頻率與所述裝置的每分鐘轉數之比大於1比4。
30.如權利要求27所述的方法，其特徵在於，所述的裝置是徑向間隙裝置，所述電磁組件包括U形整體式的磁芯，所述磁芯形成為使每個電磁組件的定子磁極位 於U形磁芯腿的端部，且所述組裝定子裝置的步驟包括組裝定子裝置使所述電磁組件繞所述轉子磁極的圓形 路徑設置，且每個電磁組件設置為每個電磁組件的兩個定子磁極彼此相鄰定位，並且沿與 所述裝置的旋轉軸線平行的線相互成一條直線。
31.如權利要求30所述的方法，其特徵在於，所述轉子磁極是由相鄰的永磁體段對形成的轉子磁極對，且所述組裝所述轉子裝置的步驟包括構形所述永久磁體段對形成相反磁極性的轉子磁 極，每對永磁體段設置為兩個永磁體段彼此處於鄰接的位置，並且沿與所述裝置的旋轉軸 線平行的線相互成一條直線，使得在所述轉子繞所述裝置的旋轉軸線轉動時，所述的兩個 永磁體段確定兩個繞所述裝置旋轉軸線的相鄰圓形路徑，所述兩個相鄰的圓形路徑中每一 個面對每個電磁組件相關的一個定子磁極。
32.如權利要求31所述的方法，其特徵在於，所述轉子裝置包括至少36對相鄰的轉子 磁極。
33.如權利要求30所述的方法，其特徵在於，所述定子裝置包括至少48個電磁組件。
34.如權利要求30所述的方法，其特徵在於，所述定子磁極面向內朝向所述裝置的旋 轉軸線。
35.如權利要求30所述的方法，其特徵在於，所述定子裝置面向外背離所述裝置的旋 轉軸線。
36.如權利要求19所述的方法，其特徵在於，所述裝置是多相裝置。
全文摘要
一種電動機、發電機、和/或再生式發電機的之類的裝置，所述裝置包括多個可獨立地賦能的電磁組件。每個獨立的電磁組件具有一個相關聯的由薄膜軟磁材料形成的整體式磁芯。每個獨立的電磁組件設有兩個位於整體式磁芯相反端的定子磁極。每個整體式磁芯為與每個獨立的電磁組件相關聯的兩個相反的定子磁極提供整個磁通量迴路。
文檔編號H02K3/04GK101976896SQ20101052777
公開日2011年2月16日 申請日期2003年1月29日 優先權日2002年1月30日
發明者拉蒙·A·卡馬尼奧 申請人:拉蒙·A·卡馬尼奧