CN1842954A - 具有径向气隙、横向磁通的马达 - Google Patents

Abstract

一种径向气隙、横穿磁通的电动－发电机器包括定子(102)和转子组件(154)。转子组件包括至少两个轴向隔开的平面转子层(152)，转子层具有围绕转子周边等角度布置的交替极性的相同数量的磁极。透磁构件(156)任选地联接相邻的转子磁体。定子组件(102)包括多个非晶态金属定子铁心，该铁心终止于第一和第二极面。铁心围绕定子组件的周边等角度布置，其中它们的极面轴向对准。各自第一和第二极面位于径向靠近的相应转子层的层中。定子绕组围绕定子铁心。该转子在高的转换频率下操作，并且具有高的极数，提供高的效率、扭矩和功率密度以及设计灵活性、便于制造和磁性材料的有效使用。

Description

具有径向气隙、横向磁通的马达

技术领域

本发明总体涉及一种电动-发电转动机器，并且尤其是涉及一种由于其中使用高级磁性材料而具有高效率和改进性能特性的电马达、发电机或再生式马达。

背景技术

电马达和发电机工业一直寻求提供具有增加效率和功率密度的电动-发电转动机器的方式。如这里使用那样，术语“马达”指的是所有类型的将电能转换成转动并且反之亦然的电动和发电机器。这种机器包括可选择地称为马达、发电机和再生式马达的装置。术语再生式马达这里用来指的是可以作为电马达或发电机操作的装置。多种马达是公知的，包括永磁式、电磁式、感应式、可变磁阻式、切换磁阻式以及有刷和无刷式马达。它们可以直接从由公共电网、电池或其它交流源提供的直流或交流源供能。作为选择，它们可通过具有使用电子驱动电路合成的所需波形的电流来供应。来自于任何机械源的转动能量可驱动发电机。发电机的输出可直接连接到负载或有条件使用的电子电路上。任选的是，在其操作的不同阶段连接到用作机械能来源或接收器的机械源上的给定机器可用作再生式马达，例如通过经由能够进行四象限运算的功率调节电路连接。

转动机器通常包括公知为定子的固定部件和公知为转子的转动部件。转子和定子的相邻表面通过由连接转子和定子的磁通横穿的小气隙分开。本领域普通技术人员将理解到转动机器可包括一个或多个结合在一起的转子和一个或多个定子。因此，这里参考转动机器所使用的术语“转子”和“定子”指的是多个转子和定子，其范围从一个到三个或更多。实际上，所有的转动机器传统上归类为径向或轴向气隙类型。径向气隙类型是其中转子和定子径向分开并且横穿磁通主要垂直于转子的转动轴线指向。在轴向气隙装置中，转子和定子轴向分开，并且横穿磁通主要平行于转动轴线。虽然轴向气隙转子在某些场合中是有利的，径向气隙类型更加通常使用，并且更加深入地被研究。

除了某些特殊类型之外，马达和发电机通常采用一种或多种类型的软磁性材料。“软磁性材料”指的是容易和有效地磁化并且退磁的材料。在每次磁化过程中在磁性材料中不可避免地耗散的能量称为滞后损失或铁心损失。滞后损失的大小是激励幅度和频率两者的函数。软磁性材料还展示了高的渗透性和低矫顽磁性。马达和发电机还包括磁动力源。该磁动力源可通过一个或多个永磁体设置，或者通过由承载电流的绕组围绕的另外软磁性材料提供。还称为“硬磁性材料”的“永磁体材料”指的是具有高矫顽磁性并且牢固地保持其磁化并抵抗退磁的磁性材料。根据马达的类型，永磁性材料和软磁性材料可布置在转子或定子上。

至今为止，当前制成的马达的优势使用作为软磁性材料的多种级别的电或马达钢，它们是Fe和特别包括Si、P、C和Al的一种或多种合金元素的合金。虽然通常确信的是具有由高级永磁体材料构成的转子和具有由例如非晶态金属的高级低损失软材料制成的定子的马达和发电机具有能力来提供比传统径向气隙马达和发电机显著更高的效率和功率密度，但是在制造这种具有轴向或径向气隙式机器过程中成功的很少。以往将非晶态金属结合到传统径向气隙机器中的努力在商业上很不成功。主要涉及用非晶态金属的线圈或圆形层压件代替定子和/或转子的以往的结构通常穿过内部或外部表面切制齿。非晶态金属具有独特的磁性和机械性能，使其在传统构造的马达中难以或不能直接代替普通钢。

例如，US专利NO.4286188披露一种具有通过简单卷绕非晶态金属条带来构成中央定位转子的径向气隙电马达。该结构的定子是传统定子，其包括设置定子绕组细槽的传统层压件的叠片，该细槽接收适当的定子绕组。

US专利NO.4392073披露一种用于具有中央定位转子的径向气隙电动-发电机器的定子，以及相关的US专利NO.4403401披露一种用于制造该定子的方法。该定子通过为非晶态金属条带形成细槽并且将具有细槽的非晶态金属条带螺旋卷绕成具有细槽的螺旋体来构成，定子接着卷绕适当的定子绕组。

US专利NO.4211944披露一种具有由具有细槽或无细槽的螺旋卷绕或边缘卷绕非晶态金属带制成的层压定子或转子心的径向气隙电气机械。介电材料放置在非晶态金属带之间，使其同样用作积分电容器的板。

US专利NO.4255684披露一种用于马达的定子结构，该马达使用带材料和模制磁性合成物制成，合成物或是非晶态金属带和非晶态薄片，或是类似传统材料。这些和其它现有技术结构证明成本过高，并且难以使用非晶态金属制造径向气隙马达。出于多种原因，这些努力不能提供具有竞争力的结构，并且由于不能证明该结构对于传统Si-Fe马达具有竞争力，这些努力已经被放弃。但是，并没有消除改进径向气隙马达的潜在优点和价值。

现在相当长的时间内，高速(即高rpm)电气机械制成具有低极数，这是由于在较高频率下操作的电气机械造成显著的铁心损失，造成马达结构效率不高。这主要由于大部分当前马达中所使用的材料是硅-铁合金(Si-Fe)。公知的是由于在传统Si-Fe基材料中在大于大约400Hz的频率下改变磁场而造成材料加热，通常加热到该装置不能通过任何可接受的装置来冷却的程度。在当前技术中包括例如高速加工机床、航空马达以及致动器和压缩机振动器的多种广泛的区域的许多应用中，需要电马达在超过15000-20000rpm许多倍的高速下操作，在某些情况下高达100000rpm。

迄今为止，已经证明非常难以节省成本地提供一种便于制造的电气装置，该装置可以利用低损失的材料。在本领域中始终需要一种高效的径向气隙电气装置，该装置可以充分利用与低损失材料相关的特定特征，因此消除与传统马达相关的缺陷。理想的是，改进的马达将在机械能和电能形式之间提供更高效率的转换，通常这同时造成减小空气污染。这种马达将更小、更轻，并且满足扭矩、功率和速度的更加苛求的需要。可以减小冷却需要，并且由电池电能操作的马达可以操作更长时间。

发明内容

提供一种径向气隙电气机器，该机器具有转子和定子组件，该定子组件包括由能够高频操作的低损失材料制成的磁心。最好是，定子的软磁心由非晶态、纳米晶体、晶粒取向的Fe基材料或非晶粒取向的Fe基材料制成，并且具有在每个端部上卷绕有定子绕组的马蹄形结构。定子铁心连接到一个或多个转子上。在当前的电气装置中包括非晶态、纳米晶体或增加磁通的Fe基磁性材料使得机器频率增加，而不相应增加铁心损失，因此形成一种能够提供增加功率密度的高效电气装置。该装置具有径向气隙、横穿磁通的结构。也就是说，磁通主要在径向横穿转子和定子之间的气隙，即垂直于机器转动轴线的方向上。另外，该装置是横穿磁通机器，也就是说磁通在主要横向的方向上穿过定子闭合，即沿着平行于转动轴线的方向。

在一个实施例中，按照本发明的电动-发电机器包括至少一个定子组件、多个定子绕组和受到支承以便围绕转动轴线转动的至少一个转子组件，定子和转子组件与转动轴线同心。转子组件包括提供具有北极性和南极性的磁极的至少一个转子磁体结构。极布置在大致平的并且垂直于转动轴线而且轴向隔开的至少两个转子层之间。每层具有相同数量的极。每层中的极围绕转子组件的周边等角度布置在圆柱形周边上。

定子组件包括多个定子铁心，每个定子铁心终止于第一和第二定子极面。定子铁心围绕定子组件的周边等角度布置，使得(i)每个定子铁心的第一和第二极面轴向对准地位于定子组件的圆柱形周边上；(ii)第一定子极面在径向靠近转子层之一的第一定子层内；以及(iii)第二定子极面在靠近另一转子层的第二定子层内。定子绕组围绕定子铁心。

在某些实施例中，转子磁体结构包括永磁材料的一个或多个部件，该部件具有一个或多个极对。在其它实施例中，转子磁体结构包括多个离散的转子磁体。在这种实施例中，每个离散磁体的一个极通过透磁联接构件任选地磁性联接到相邻一个磁体的极上。

按照本发明的多种实施例提供高效的电气装置，该装置具有改善的性能特性，例如高的极数，能够同时在高频以及低磁心损失和高功率密度下操作。

本发明的某些实施例具有径向气隙、横穿磁通构造，其中磁心内细槽数量除以定子绕组中的相数、除以配置中的极数最好具有0.5的数值。

附图说明

参考本发明优选实施例的以下详细描述和附图，将更加完全理解本发明，并且清楚其它的优点，附图中相同的参考标号在多个附图中表示类似的元件，附图中：

图1是按照本发明实施例的径向气隙马达的局部轴向截面图，表示围绕马达的转动轴线“X”中央定位的转子组件的一部分以及同心、隔开的定子组件的一部分。

图2是沿着图1的线A-A的横向截面图，表示定子铁心和离散的转子磁体沿着马达轴线的取向；

图3是按照本发明实施例的径向气隙马达的局部轴向截面图，表示延伸到马达转动轴线“X”的转子组件的一部分和同心、隔开的定子组件的一部分；

图4是沿着图3的轴线的横向截面图，表示分别安装在定子载架和转子载架上的定子铁心和转子磁体以及用于转子转动的轴承；

图5是表示沿着类似于图1和3的视图的定子铁心和联接构件的层压方向的横向截面图；

图6是表示沿着类似于图2和4的视图的定子铁心和联接构件的层压方向的横向截面图；

图7是按照本发明实施例具有分布的卷绕结构的径向气隙马达的局部轴向截面图，其中多个定子铁心共用公共的定子线圈；

图8是沿着图7的线A-A截取的横向截面图，表示定子铁心和转子磁体沿着马达轴线的取向；

图9是按照本发明另一实施例具有分布的卷绕结构(多个定子铁心共用公共定子线圈)的径向气隙马达的局部截面图，并且其中联接构件在转子组件的平面内联接成对的转子磁体；

图10是沿着图9的线A-A截取的横向截面图，表示定子铁心和联接构件沿着马达轴线的层压方向；

图11是按照本发明实施例具有位于定子组件径向外部的转子组件的径向气隙马达的局部截面图；

图12是沿着图11的线A-A截取的横向截面图，表示定子铁心和转子磁体沿着马达轴线的取向；

图13是按照本发明另一实施例包括多个转子组件和定子组件的径向气隙马达的局部轴向截面图；

图14是沿着图13的线A-A截取的横向截面图，表示定子铁心和转子磁体沿着马达轴线的取向；

图15是由高级磁性材料制成的卷绕线圈的平面图，该线圈将被切割，以便形成用于当前装置的定子中的两个马蹄形铁心；

图16是由高级磁性材料制成的卷绕线圈的平面图，该线圈将被切割，以便形成具有用于当前装置的定子中的增大后部的两个铁心；以及

图17是转子组件区段的局部切去平面图，表示周向移位的两层中的磁体。

具体实施方式

此后参考附图将更加详细地描述本发明的优选实施例。本发明提供径向气隙、横穿磁体的电气装置，该装置具有由低损失材料制成的定子铁心。最好是定子铁心使用薄带或条形式材料制成，该材料主要包括非晶态或纳米晶体金属、或晶粒取向或非晶粒取向的Fe基材料，通常具有比非晶态或纳米晶体材料高的饱和感应的材料这里总体上称为“增强磁通Fe基磁性材料”。

非晶态金属

还公知为金属玻璃的非晶态金属存在于适用于本发明马达的多种不同的合成物中。金属玻璃通常由具有所需合成物的合金熔融物形成，该熔融物例如通过在至少大约10⁶℃/s的速度下冷却而从熔融物快速淬火。它们不展示大范围的分子级，并且具有只表示扩散晕的X射线衍射图案，与无机氧化物玻璃所观察到的类似。具有适当磁性的多种合成物在授予Chen等人的US专利NO.RE32925中提出。非晶态金属通常以具有20厘米或更宽的宽度的延伸长度的薄带形式供应。用于成形具有无限长度的金属玻璃带的方法在授予Narasimhan的US专利NO.4142571中披露。适用于本发明的非晶态金属材料是由Metglas，Inc，Conway，SC销售的METGLAS2605SAL，其形式为无限长度的条带、宽度高达大约20厘米并且厚度为20-25μm(参见http：//www.metglas.com/pruducts/page5_1_2_4.htm)。也可以使用具有所需性能的其它非晶态材料。

非晶态金属具有在制造和磁性应用中必须考虑的多种性能。不同于大多数软磁性材料，特别是在通常用来优化其软磁性的热处理之后，金属玻璃是硬和脆的。因此，通常用来处理用于马达的传统软磁性材料许多机械操作在非晶态金属上难以或不能进行。冲压、冲孔或切割半成品材料通常造成不可接受的工具磨损，并且实际上在脆的、热处理后的材料上是不可能的。通常可以在传统钢上完成的传统的钻制和焊接同样被排除在外。

另外，与Si-Fe合金相比，非晶态金属显示出较低的饱和磁通密度(或感应)。较低的磁通密度通常造成按照传统方法设计的马达的功率密度较低。与Si-Fe合金相比，非晶态金属还具有较低的导热性。由于导热性确定热量可以经由材料从热位置传导到冷位置的便利性，导热性的较低数值需要仔细设计马达结构，以便确保在磁性材料中充分去除铁心损失、绕组的欧姆损失、摩擦、空气阻力以及其它损失来源中产生的废热。不能充分去除废热继而将造成马达的温度不可接受地升高。过高的温度容易造成电绝缘或其它马达部件的过早失效。在某些情况下，过高温度将造成冲击的危险，或者触发灾害性火灾或其它严重的健康和安全危害。与某些传统材料相比，非晶态金属还显示出较高的磁弹性系数。具有较低磁弹性系数的材料在磁场的影响下经受较小的尺寸变化，继而容易减小来自于机器的可听到的噪音，并且由于机器制造或操作期间产生的应力，使得该材料的磁性更容易退化。

不管这些问题，本发明的一方面提供一种马达，该马达成功地结合有非晶态金属，并使得马达以高激励频率操作，例如转换频率大于大约400Hz。同样提供用于制造该马达的构造技术。由于特别是非晶态金属的高级材料的构造和使用，本发明成功地提供一种马达，该马达在高频(限定为大于大约400Hz的转换频率)下以高的极数操作。非晶态金属在高频下显示出较低的滞后损失。与Si-Fe合金相比，非晶态金属具有较低的导电性，并且与厚度通常为大约200μm并使用Si-Fe合金的情况相比，通常较薄。这两种性能提高了较低的涡电流铁心损失。本发明成功地提供一种马达，该马达得益于一种或多种这些有益的特征，并且由此使用一种构造在高频下有效操作，该构造使得可以利用例如较低的铁心损失的非晶态金属的有利特征，同时避免先前试图使用高级材料所面临的问题。

纳米晶体金属

纳米晶体材料是多晶材料，其平均晶粒尺寸是大约100纳米或更小。与传统粗晶粒金属相比，纳米晶体金属的性能通常包括增加的强度和硬度、增加的扩散性、改进的廷展性以及韧性、减小的密度、减小的模量、较高的电阻、增加的比热、较高的热膨胀系数、较低的导热性以及超级的软磁性。与大多数Fe基非晶态金属相比，纳米晶体金属还具有某些较高的饱和感应。

纳米晶体金属可通过多种技术形成。一种优选的方法包括使用例如此前描述的技术将所需合成物最初铸造成具有无限长度的金属玻璃带，并且将带成形为例如卷绕形状的所需构造。此后，最初的非晶态材料进行加热处理，以便在其中形成纳米晶体的微结构。这种微结构的特征在于具有小于大约100纳米的平均晶粒尺寸的高密度晶粒，最好是小于大约50纳米，并且更优选的是小于大约10-20纳米。晶粒最好占据铁基合金容积的至少50％。这些优选的材料具有较低的铁心损失和较低的磁弹性。后一特性还使得该材料不容易由于包括该部件的装置制造和/或操作中造成的应力而磁性能退化。与在其中保持大致完全玻璃状微结构所需的热处理相比，需要在给定合金中形成纳米晶体结构所需的热处理必须在较高温度或长时间下进行。适用于构造本发明装置的磁性元件的代表性纳米晶体合金是公知的，例如授予Yoshizawa的US专利NO.4881989和授予Suzuki等人的US专利NO.中提出的合金，这些材料可以从Hitachi Metals和Alps Electric得到。

晶粒取向和非晶粒取向金属

本发明的机器还可由低损失Fe基晶状体合金材料构造。最好是这种材料具有条带的形式，其厚度小于大约125μm，比传统用于马达的钢更薄，传统的钢具有大约200μm的厚度，有时具有400μm或更大的厚度。可以使用晶粒取向和非晶粒取向的材料。如这里使用那样，取向材料是其中构成的晶状体晶粒的主要晶轴不随机取向，而主要沿着一个或多个优选方向取向的材料。由于所述的微结构，取向的带材料对于沿着不同方向的磁激励作出不同响应，由此非取向材料各向同性地响应，即对于沿着带平面的任何方向的激励作出大致相同的响应。晶粒取向材料最好布置在本发明马达中，其便于使得磁化方向与磁通的主要方向大致重合。

用于构成本发明机器的非晶粒取向的Fe基材料最好主要包括Fe和Si的合金，其中Si的含量在大约4-7wt％。优选的非取向合金具有主要包括Fe和大约6.5wt％的Si的合成物，并且显示几乎零值的饱和磁弹性，使其不容易由于在包括该材料的装置的构造或操作中遇到的应力而造成磁性能退化。Fe-6.5Si合金的一种形式是由JEF SteelCorporation，Tokyo，Japan提供的50和100μm厚的磁性条带(还可见 http：//www.jfesteel.co.jp/en/products/electrical/supercore/index.html)。还可以使用由快速固化处理制造的Fe-6.5Si，如授予Das等人的US专利NO.4865657和授予Tsuya等人的US专利NO.4265682所披露那样。

马达的总体结构

图1和2表示本发明实施例的径向气隙、横穿磁通马达的总体结构。参考图1，可以看到中央定位的转子组件150和同心的定子组件100。定子组件100包括安装在(或设置其中)载架104上并且卷绕有定子线圈或绕组的多个定子铁心102。载架104可以是定子壳体或马达壳体(未示出)内的分开部件。转子组件150可通过布置成围绕转动轴线X转动的任何适当类型的轴承(未示出)支承。转子组件150包括具有安装在(或设置其中)转子载架154上的离散的转子磁体152的转子磁体结构。图2提供沿着图1的线A-A的截面图，表示定子铁心102相对于转子磁体152的取向的更加详细细节。出于简明起见，在图2中没有表示定子载架104和转子载架154。

磁体布置在轴向分开的大致平面的转子层内，这些层大致垂直于转动轴线。相同数量的磁体152位于每个层中，并且围绕转子组件150的周边等角度布置。每个磁体152在其相对端部处具有限定北(N)和南(S)极的极性，其中每个磁体的一端位于转子组件150的圆柱形周边上。每个层中的磁体的周边端部具有周向交替的北极和南极。在图1-2的实施例中，两个层中的磁体轴向对准定位，使得轴向相应并相邻的周边端部具有相反的极性。将理解到转子组件150可交替地包括多个子组件，每个子组件包括某些转子磁体。例如，转子载架154可构造成两个区段，每个区段提供磁体层。另外，每个区段可形成整个层的一部分。

如图1所示，具有交替极性的多个永磁体围绕转子组件150的周边定位。在不同实施例中，磁体的定位和极性可以根据特定电气装置的结构需要而变化。图2进一步表示透磁连接构件156，该构件任选地包括在图1和2所示的转子磁体结构中。每个连接构件156将一个磁体连接到相邻一个磁体上，并且靠近被连接的磁体一端定位，被连接的端部具有交替的极性。图4提供与图2类似的侧视图，表示定子铁心102设置在定子载架154内，并且转子磁体152和连接构件156设置在转子载架154内。虽然图1-4的实施例表示了连接构件156，而在其它实施例中没有连接构件156。

连接构件156在图1和2中表示为包括透磁材料的层压、平条带的矩形块体，该材料最好选自包括非晶态、纳米晶体和增加磁通的Fe基磁性材料的组中。连接构件156连接来自于转子组件150的两个不同层的转子磁体152。该构件156用来将磁通从一个转子磁体152传导到轴向相邻的转子磁体152上，由此提供用于磁体的较高透磁性的磁通通路。因此，磁通增加，使得通过使用具有较小容积的磁体，可以减小马达容量，而不降低马达的性能。特别是例如SmCo和FeNdB的稀土基磁体的永磁体是马达的最为昂贵部件，提供显著的动力来减小所需永磁体材料的数量。图4表示设置在转子载架154内并且连接轴向相邻磁体的连接构件156的一种可能的定位。除了图1-2所示的层压形式之外，连接构件156可交替地包括任何透磁材料，包括实心钢。在一个优选实施例中，连接构件包括大致平行于轴158定位的矩形块体，其中在图4中表示连接构件156的层压片材表面。连接构件156的交替取向表示在图9和10中，其中每个连接构件156在图9视图的平面内连接到两个转子磁体152上。每个层压片材还位于图9的平面内。在图10的视图中，层压片材表示成垂直于转动轴线延伸。虽然连接构件156表示成矩形块体，它们可以具有任何形状。例如，可以使用其它棱形形状，如与图1定子组件中使用那些类似的马蹄形铁心。另外，连接构件156可连接一对或多对转子磁体152。图2和9表示其中连接构件连接到一对磁体上的构造。在多种实施例中，连接构件156可在单个转子组件150中同时横跨多个或所有的磁体，或者甚至在多个转子组件150中横跨所有的磁体。但是，连接构件156是任选的部件，并且在不同实施例中，可以省略一个或多个连接构件156。

最好是，连接构件156(如果使用)具有低滞后损失，以便改善机器效率。在机器操作期间转子运行时，磁性回路的各个部分的磁阻变化造成永磁体以及连接构件内随时间变化的磁通。这种变化造成连接构件内的滞后损失、降低效率并且有助于所产生的废热散发。因此，使用低损失的连接构件是优选的。

每个定子铁心102具有马蹄形形状，该形状包括底部200和从中在大致平行的方向上悬挂而且终止于定子线圈端部202的两个腿部201。定子铁心102的底部200安装在载架104内，同时定子线圈106围绕定子铁心腿部201卷绕。定子线圈106电连接，以便在定子铁心102中产生磁场，该磁场将排斥或吸引中央定位的转子磁体152。磁力线从端部202出现，该端部形成用于定子铁心102的极面。如图2清楚示出，定子铁心的两个极面202大致是共面的，并且轴向对准。定子铁心围绕定子组件的周边等角度布置，其各自表面位于定子组件的圆柱形周边上。

定子铁心102包括最好包括选自包括非晶态、纳米晶体和增加磁通的Fe基金属的组中的材料的片材和条带。更优选的是，该材料包括非取向的合金，该合金主要包括Fe以及Si，其中Si的含量为大约4-7wt％。最为优选的合金包括非晶态和纳米晶体合金，以及非取向的Fe-6.5wt％Si。最好是，定子铁心102内的片材例如通过用低粘度环氧树脂浸渍而粘接在一起。

在图1和2的实施例中，转子组件150的圆柱形周边在定子组件100的圆柱形周边的径向内部。这些各自的周边在径向气隙上处于面对的关系。

定子铁心设置在一个或多个适当壳体内，该壳体由金属、塑料或具有适当机械和电性能的其它材料制成。定子铁心通过例如单部分或双部分环氧树脂的结构粘合剂在壳体内保持就位。图3和4表示另一实施例，其中转子载架154延伸到马达的中央轴线。图4提供与图3类似的截面图，表示转子磁体150设置在转子载架154内。在此实施例中转子组件150还包括固定有包括磁体152的转子载架154的轴158。定子载架102相对于马达固定，而转子组件150在轴承160上转动。

图5和6表示各自表示有关定子铁心102的构造的另一细节的顶视图和侧视图(出于清楚目的，定子载架104没有表示)。如图6清楚示出，定子铁心102具有马蹄形形状，该形状具有长度l、宽度w、厚度t和弯曲角度θ1和θ2。在特定实施例中，定子铁心102具有马蹄形形状，其中尺寸l＝35mm、w＝20mm、t＝11mm以及θ1和θ2＝90°。定子铁心102的尺寸将随着定子结构而变化，并且选择成使得电装置的性能最佳。由于使用现行技术容易进行制造，马蹄形形状选择成表示用于某些应用中的定子铁心的结构。本领域普通技术人员容易明白的是在本发明的范围内还可以考虑定子铁心102的多种形状或者包括定子铁心102的片材或条带的取向。例如，虽然定子铁心102表示成具有一致的弯曲半径成形角度θ1＝θ2＝90°，角度θ1和θ2可大于或小于90°，或者定子铁心102可连续作为一个长的折弯，即形成大致的圆弧。定子铁心102的数量以及定子载架104内的间距Z的周向距离(见图5)可以随着电气装置的结构而变化。

定子铁心102的另一形式通过图6表示，其中底部202相对于大致平行的腿部201增大，这种铁心构造使得定子绕组布置在增大部分内，使其可以从端部202径向取出，由此通过改变来自于转子磁体的磁通，减小由绕组产生的杂散场涡电流损失。

在优选实施例中，定子铁心102根据适用于正弦机器操作的法拉第原理按照马达结构原理设置尺寸，这适用于所有的电动-发电机器。根据这些和相关原理和所需机器性能，定子总容积(即粗容积)最好保持在最小。该结构最好使得包括定子铁心102的定子部件所消耗的马达的所有容积以及绕组所占据的容积最小。使得定子容积最小(Vmin)是优选的，其中Vmin＝t×w×(指的是从端表面202到相对端表面202的长度)。减小定子容积有助于减小造成废热的铁心损失，并且还减小材料成本和总体马达容积。截面(t×w)和磁通密度一起进行优化，以便使得最佳数量的磁力线穿过线圈106。增加面积(t×w)减小线圈106所得的面积。总机器功率(Ptot)与线圈圈数(n)以及面积(t×w)和线圈106内的磁通密度(B)、频率f和定子部段的数量(N)的乘积成正比，即Ptot～n×t×w×B×f×n。

最好是，考虑由转动转子磁体产生的正弦变化的磁通的方向，选择包括定子铁心102的非晶态、纳米晶体或增加磁通的Fe基金属的片材或带状的层压件的取向。在径向气隙机器中，磁通的正弦变化主要位于垂直于转子转动轴线定位的一系列平面内(即在图1和3的平面内)。但是，在轴向气隙机器中，磁通的正弦变化位于与转动轴线同轴定位的一系列圆柱形内。最好是，定子铁心的层压件各自大致平行于包括用于径向或轴向气隙机器的正弦变化磁通的平面或圆柱形。图4和6表示包括用于径向气隙机器的定子铁心102的片材或带状材料的层压方向。靠近定子端部202的层压件片材平面表示成大致垂直于转子磁体的转动轴线(沿着轴158)。在定子铁心中具有垂直于层压平面的矢量分量的转子磁体的任何磁通将造成在该平面内流动的涡电流，造成不希望的涡电流损失。因此，最好是定子铁心以如下方式布置，即来自转子磁体的大致所有的磁通在层压平面内位于一个方向上，并且不在该平面之外。

定子线圈106最好包括高导电的线材，例如铜或铝线材，该线材围绕周围的定子线圈腿部201(见图2)卷绕。但是，线材材料不局限于铜，并且可以是任何导电材料。线材可具有任何所需的截面，例如圆形、方形或矩形。可使用标准的线材以便进行卷绕，并且改善高频性能。任何数量的定子线圈106可用于每个定子铁心102。定子线圈106可通过卷筒卷绕过程卷绕，其中线圈如同缝制机卷筒来卷绕。任选地卷绕在线圈架上的线圈随后组装在定子铁心腿部201上，该腿部形成定子齿。在图1和2的实施例中，卷筒卷绕线圈组装在定子铁心腿部201上。另外，在其它实施例中，定子线圈106也可放置在定子铁心102的底部200上，或者在底部200和腿部201两者上。作为卷筒卷绕的选择方式，定子线圈106可通过针式卷绕过程卷绕，其中线材卷绕在定子齿的现有组件上，即直接通过定子铁心端部202。针式卷绕通常用于传统径向气隙机器的构造中，并且可以在任何齿的组件上完成。

在其它应用中，定子线圈106绕组进行分布，其中一个或多个电线圈横跨多个齿或定子线圈端部202，并且与其它线圈重叠。图7和8表示采用分布线圈的实施例，其中两个定子铁心102卷绕定子线圈106。在其它分布卷绕方案中，定子线圈106围绕两个以上的定子线圈。

在转子载架154中，转子磁体152的尺寸和间距最好选择成使得材料浪费最小，同时使得机器性能最佳。在某些实施例中，转子磁体152隔开，使得在交替磁体之间具有较小或没有间隙。在其它的实施例中，没有使用例如图1-2所示的磁体152的离散转子磁体。相反，一个或多个永磁材料件(最好是弧形)围绕转子组件150的周边布置。每件可提供单个N-S极对，其中磁力线在围绕单件实心磁体的半圆形路径中从一面到另一面延伸。作为选择，每件可提供多个极对，例如这些极印刷在结合磁体上。连接构件156通常不和这些磁体构造一起使用。

一个或多个转子组件150中的磁体152任选地在周向上交错，如图17所示。也就是说，一个层内的磁体端部153a可从相邻层内的相应端部153b转动倾斜角度φ，如图17所示。非零值的φ通常选择成减小扭矩变动。如本领域公知那样，扭矩变动是输入电流大大减小之后同时轴处于零或非常低转速时机器中转动位置上的扭矩变化。扭矩变动造成不希望的现象和噪音问题。按照高斯定律，在任何给定的转动位置，具有许多横穿径向气隙的朝北取向的磁力线，以及相同数量的横穿气隙的向南取向的磁力线。零扭矩变动机器是其中穿过气隙的磁通的净值为恒定的机器，其中来自于南磁力线的磁力线作为负性，而来自于北极的磁力线是正性。在这种机器中，在转子转动时，横穿气隙的磁通的绝对值没有变化。实际上，通过优化转子磁体152的尺寸、形状、位置和数量，同时考虑转子磁体的硬和软磁体材料的材料性能，来减小磁通绝对值的角变化，使得扭矩变动最小。同样最好是转子组件150的给定层内的转子磁体152之间以及相邻层之间和分开的转子组件150之间的周向间距保持在最佳值上。在一个实施例中，发现到转子磁体152之间的最佳周向间距使得每个转子磁体152的总面积等于定子铁心端部202的面积的175％±20％。

定子铁心腿部之间的间距影响许多参数。大间距减小不希望的极到极的磁通泄漏，但是增加成本，这是由于马达的轴向尺寸增加。因此，需要更加软的磁性材料，并且铁心损失与铁心材料的增加容积成正比地增加。腿部间距的最佳选择涉及这些考虑，以及气隙、磁极表面面积以及定子铁心表面面积的影响。

周向上使得转子组件150交错还产生较低损失的特性。由于位置改变而造成转子磁体152的磁通变化还可导致磁体本身不希望的损失，这是由于涡电流和滞后两者原因。它们由于每个磁体所经历的总体磁性回路的透磁性变化所造成。磁性回路透磁性的变化造成由磁体产生的磁通的变化。这种磁通的变化产生取决于频率的涡电流和磁通中的滞后损失。该损失不出现在转换频率(CF)，该频率是转动速度和转子极对数量的乘积，其中转子极对数是转子极数除以2，并且转动速度是每秒钟转数的单位(CF＝rpm/60×极/2)。相反，损失出现在等于每秒钟转数乘以定子齿数的频率上，其中定子齿数指的是DC磁体每转所遇到的齿。因此，对于具有0.5的每相每极(SPP)定子细槽数量的机器的特定实施例来说(在下面更加详细描述)，定子齿的数量等于转子极对数乘以3。

转子磁体152可以是任何类型的永磁体。例如钐-钴磁体的稀土过渡金属合金磁体、其它钴稀土磁体或者例如NdFeB磁体的稀土过渡金属-非金属磁体是适当的。转子磁体的结构还可包括任何其它烧结、塑料粘接和陶瓷的永磁体材料。最好是，磁体具有高的能量乘积、矫顽磁性和饱和磁感应性能以及线性第二象限正常磁感应曲线。更优选的是，使用取向和烧结的稀土过渡金属合金磁体，这是由于其较高的能量乘积增加了磁通以及扭矩，同时可以减小成本高的永磁体材料的容积。在可选择实施例中，转子磁体152作为电磁体构造。

包括转子磁体152的转子组件150受到支承以便通过转子载架154围绕轴158的轴线在轴承160或者其它任何适当配置上转动，使得磁体的各极可以沿着靠近定子配置(见图4)的预定路径接近。图1表示矩形转子磁体152，其中外部长度a1和内部长度a2大致相同。转子磁体152最好是矩形的，这是由于它们通常的制造成本低。还可以使用梯形、楔形磁体，如图17所示形状。具有为气隙提供的圆弧的转子磁体是最佳结构。在图1视图中，具有弯曲形状的转子磁体152通过外部圆弧长度a1和内部圆弧长度a2来限定。但是弧形转子磁体制造成本较高。另外，对于具有高极数的本发明高频实施例来说，通常使用大量小矩形磁体。每个外部长度a1形成面对相当小的角度的弦，它几乎近似于圆弧。作为选择，转子磁体152可以是任何多边形形状。在其它实施例中，例如转换磁阻结构，马达可由例如钢的实心和层压磁性材料构成。

在特定实施例中，转子磁体152的外部长度a1以及和定子线圈106组合的定子铁心102的宽度大致相同。如果a1比w大得很多，磁力线不横穿气隙，而是在某些其它方向上泄漏。由于磁体成本高，并没有获益，这是不利的。使得a1比w小得多造成与其它情况相比定子内的较低磁通密度，这就降低总体机器的功率密度。

在其它实施例中，转子磁体152可包括一个或多个连续实体，例如其中加有磁极的粘接的磁体。在这种实施例中，转子磁体件的数量可不同于实际工作的磁极数。认识到设计者可通过磁极数来确定马达操作和性能。

任何能够适当支承定子铁心102和转子磁体152的适当材料可用于定子载架104和转子载架154。最好是使用非磁性材料。但是定子载架104和转子载架154可包括传导材料，而不限制载架材料的传导性。最好是，载架104、154可以是任何导热配置，其具有足够的强度来在相对位置上支承转子组件150和定子组件100，同时使得转子组件150转动。在特定实施例中，定子载架104或转子载架154由铝形成。在另一特定的实施例中，载架材料104、154可以是完全的有机物，例如两部分环氧树脂/硬化系统的有机介电材料。例如定子铁心102和转子磁体152的电气装置的有效部件可分别经由粘合剂、夹紧、焊接、固定件和其它适当的连接件固定在定子载架104和转子载架154上。转子载架154最好安装在适当的轴承表面上以便围绕机器轴的转动轴线转动。传统上用于马达工业中的多种轴承、套筒和相关部件是适当的。

多个定子线圈102连接到公共磁性区段上。这与大于0.5的每相每极(SPP)的细槽值相对应，其中SPP比值通过将定子铁心102的数量除以定子绕组中的相数并除以DC极数来确定(SPP＝细槽/相/极)。按照本发明的马达结构，细槽指的是垂直于转动轴线的平面内交替定子铁心102之间的间距。在SSP值的计算中，极指的是与变化磁场相互作用的DC磁场。因此，在优选实施例中，安装在(设置在)转子载架154上的永磁体提供DC磁场以及DC极数。在按照本发明的同步马达的其它实施例中，DC电磁体提供DC场。定子绕组的电磁体提供变化的磁场，即随着时间和位置变化的磁场。本发明的径向气隙电气装置可采用多种筒式和径向构造。例如，固定定子组件100可中央定位，并且与转子组件150同心定位并且径向向内隔开。具有转子磁体152的转动部分可以是电气装置的外部，并且定子组件100可以是内部的不转动部分。图11和12表示本发明的实施例，其中由虚线包围的转子组件150是马达的外部。外部转子组件150能够例如在适当轴承(轴承未示出)上转动。任何类似于其它实施例的转子载架154适用于图11和12的结构。包括定子线圈106和定子铁心102的固定定子组件100位于马达的内部不转动部分上。

还可以具有多个交替的转子组件150或多个定子组件100。图13和14表示一种这样的实施例，其具有两个转子组件150和两个定子组件100。轴向布置的定子铁心102表示成安装在单个整体的定子载架104上。类似地，轴向布置的转子磁体152设置在单个连续的转子载架154中。作为选择，也可以使用结合在轴上和/或分开定子载架上的多个分开的转子载架。多种卷绕方案可以用于图13-14的实施例中，包括其中多个定子铁心102(任选地包括在不同定子组件中)共用公共的定子线圈106的方案。

在本发明的另一方面中，提供一种径向气隙、横穿磁体的转动机器，该机器可操作地连接到适当设计的功率电子装置上。例如，功率电子装置最好设计成减小功率电子(PE)波动，这是马达操作期间扭矩变化，并且可以不利地影响性能。最好是同时使得通过具有低磁阻的这种马达在高频下进行转换并且保持低速控制得到优化。

如这里所使用那样，术语“功率电子”理解为指的是适用于将直流(DC)或具有特定频率的交流(AC)供应的电能转换为DC或AC，输出和输入的电压、频率和波形中的至少一种情况是不同的。通过功率电子转换电路来实现转换。对于使用保持频率的普通变压器来进行AC电能的简单电压转换以及AC简单桥式整流以便提供DC的其它情况来说，现代功率转换通常采用非线性半导体器件和提供有效控制的其它相关的部件。

电动机器必须直接或者通过DC电能转换来供应AC电能。虽然已经长时间使用通过电刷式机器进行机械转换，采用高功率半导体器件使得可以采用用于许多现代永磁体马达的无刷式电子转换装置的结构。在发电模式中，机器(除非机械转换)固有地产生AC。机器的大部分如所述同步操作，这指的是AC输入或输出电能具有与转动频率和极数相当的频率。同步马达直接连接到电网上，例如电设施使用的50或60Hz电网或者用于造船和航空系统中的400Hz电网上，因此在同步马达在特定速度下操作，其变化只通过改变极数来获得。对于同步发电来说，原动机的转动频率必须进行控制，以便提供稳定的频率。在某些情况下，原动机固有地产生过高或过低的转动频率，该频率不适用于具有公知机器结构的实用极限内的极数的马达。在这种情况下，转动机器不能直接连接到机械轴上，使得必须采用齿轮箱，而不考虑附件所添加的复杂性和效率损失。例如，风力涡轮机转动十分缓慢，使得在传统马达中需要过大的极数。另一方面，为了以所需机械效率获得适当的操作，典型的气体涡轮机转动十分快，使得即使极数低，所产生的频率也不可接受地很高。用于电动和发电应用的选择是有效功率转换。

如以上详细描述那样，与传统装置相比，按照本发明构造的机器可作为马达或发电机在更宽的转动速度范围上操作。在许多情况下，可以去除在马达和发电机应用中所需的齿轮箱。但是，与传统机器所采用的频率相比，所得到的优点同样需要使用在较宽的电子频率的范围上操作的功率电子装置。

在本发明的另一方面，提供一种电动-发电系统，该系统包括可操作地连接到用于接口和控制该机器的功率电子装置上的任何所述类型的电动-发电机器。为了进行电动应用，该机器接口到例如电网、电池、燃料电池、太阳能电池或任何其它使得电能来源的电源上。任何所需类型的机械负载必须连接到机器轴上。在发电模式中，机器轴机械连接到原动机上，原动机可以是转动机械能的任何来源，并且该系统连接到电负载上，该负载包括任何形式的电器或电能存储装置。该机器系统还可用作再生式马达系统上，例如作为连接到车辆的驱动车辆的系统，交替地为车辆提供机械动力并且将车辆的动能转换成存储在电池内以实现制动的电能。

电动-发电机器系统的一个示例性实施例包括电动-发电机器，该机器具有至少一个定子组件、多个定子绕组以及受到支承以便围绕转动轴线转动的至少一个转子组件，所述转子和定子组件与所述转动轴线同心。转子组件包括具有相同数量的离散转子磁体的至少两个转子层，每个所述磁体在其相对端部具有限定北极和南极的极性，所述层是垂直于所述转动轴线的大致平面，并且轴向隔开，每个层内的所述磁体围绕所述转子组件的周边等角度布置，使得(i)每个所述磁体的所述端部之一位于所述转子组件的圆柱形周边上；(ii)位于所述周边上的所述端部具有周向交替的北极和南极；以及(iii)每个所述磁体通过靠近所述相邻磁体的另一个所述端部的透磁连接构件磁性连接到相邻一个所述磁体上。定子组件包括多个定子铁心，每个所述定子铁心终止于第一和第二定子极面，所述定子铁心围绕所述定子组件的周边等角度布置，使得(i)每个所述定子铁心的所述第一和第二定子极面轴向对准地位于所述定子组件的圆柱形周边上；(ii)所述第一定子极面位于径向靠近所述转子层之一的第一定子层内；以及(iii)所述第二定子极面位于靠近另一个所述转子层的第二定子层内。定子绕组围绕定子铁心。

电动-发电机器系统还包括功率电子装置。用于本发明系统中的功率电子装置必须包括具有足够动态范围的有效控制，以便适应所预料到的机械和电气负载中的变化，同时保持满意的机电操作、调节和控制。可以使用任何形式的功率转换技术，包括采用增强、补偿和回扫转换器和脉冲宽度调制的转换调节器。最好是电压和电流单独进行相控制，并且功率电子装置的控制可在具有或不具有直接轴位置检测的情况下进行操作。另外，最好是提供四象限控制，使得该机器在电动或发电模式下顺时针或逆时针转动操作。最好包括电流回路和速度回路控制电路，由此可以采用扭矩模式和速度模式控制。为了稳定操作，功率电子装置必须最好具有至少是所需转换频率的10倍那样大的控制回路频率范围。对于本发明系统来说，转动机器在高达大约2kHz转换频率下的操作，因此需要至少大约20kHz的控制回路频率范围。

通过本发明，现在可以实现结合有高级材料的径向气隙的电机器。许多应用需要径向气隙的马达，其中包括但不局限于具有集成启动器/交流发电机的某些汽油和柴油发动机。在这些应用中，制造组件具有将定子作为与转子分开的部件进行组装的专用能力。使用轴向气隙的马达，这是非常困难的，但是使用径向气隙的马达将相对容易。这些应用现在可得益于非晶态、纳米晶体或增加磁通的Fe基金属的高频结构特性。由于这些材料容易得到，本发明不依赖于现有材料供应链的任何变化。非晶态、纳米晶体或增加磁通的Fe基金属、永磁体或铜线材的任何改进容易适用于本发明。优选实施例的矩形转子磁体152制造简单，并且定子线圈106可以是容易制造的卷筒卷绕式。

对于可以整体安装在小型印刷电路板式的部件来说，本发明还容易进行微型化。

与传统径向气隙马达相比，本发明的横穿磁通径向气隙的马达的某些实施例具有某些优点。非晶态金属、纳米晶体金属条带或晶粒取向或非晶粒取向的Fe基材料可以节约成本的方式结合在径向气隙构造中，这种结构是本领域多年寻求的目标。

虽然在构造本发明马达中可以使用多种形状的永磁体，由于矩形转子永磁体制造成本低，在大多数实施例中矩形转子永磁体是优选的，这是由于磁体压制技术不容易使其直接成形弧形或弯曲的表面。这种结构通常在将永磁体材料(例如NdFeB、SmCo或其它稀土基磁性粉末)压制成矩形形状之后使用成本高的磨削操作来添加，造成材料浪费。如上所述，具有高极数的本发明实施例使其可以使用矩形成形的磁体形成非常优化的转子磁体。高极数马达提供高频率的径向气隙马达。

定子铁心还可以需要非常少的加工的方式来制造。例如，条带可螺旋卷绕成跑道形状，如图15所示。该形状可接着沿着线250切开以便形成两个相同的马蹄形形状102。金属层可因此在单个步骤内切开，而不是传统层压冲制过程所需的逐层方式。有利的是，定子铁心可通过这种卷绕过程制造，实际上没有浪费软磁性材料。可以通过类似过程形成其它适当定子铁心的形式，例如图16所示的形式，其中为定子铁心提供增大的底部200。连接构件156还可以类似方式构造。用于定子铁心的相同材料对于制造连接构件来说是优选的。许多这些制造方法现在在制造用于其它非马达装置的部件的领域中也经常使用。

与轴向气隙马达相比，本发明的横穿磁通、径向气隙马达具有节约成本的优点。例如，在轴向气隙机器中作用在轴承系统上的轴向力比本发明的横穿磁通径向气隙马达大得多，使得在本发明装置中可以使用较低成本的轴承系统。

本发明还提供一种减小由于轴向上双层转子磁体造成的第一级扭矩变动的自然和直接的方法。第一级扭矩变动的特征在于它需要作为机器的转换频率6倍的自然基础频率。减小第一级扭矩变动的方法是构造轴向成对的南北转子磁体，使其在平行于轴向的线上不再轴向对准定位，即它们相互之间倾斜角度φ，如图17所示。最好是φ选择成，使得磁体倾斜一定的数量，该数量在大约周向相邻的定子铁心之间一半距离的范围。这种调整需要每个定子铁心上的所有线圈串联连接。转子磁体位置的倾斜定子铁心之间一半的周向距离造成所产生的电磁力(EMF)减小大约3.5％。功率相应减小。但是，考虑到可以同时显著减小扭矩变动，这种减小是可以接受的。

多相横穿磁通径向气隙马达

本发明横穿磁通、径向气隙马达非常适用于在多相配置中构造和操作。例如，转子组件150可分成多个区段，如图1的虚线所示。每个区段包括四个转子磁体152，四个转子磁体152布置成在轴向上具有两个南北转子磁体对以及在周向上具有两个南北转子磁体对。

与相配的转子组件区段相对的定子组件区段包括三个定子铁心102，每个定子铁心表示三相马达的一个相。在围绕定子铁心102端部202的线圈106被激励时，每个定子铁心102的相对的定子铁心端部202将具有相反的磁性，以便形成南北磁极对。

虽然本发明的马达可作为单相装置或具有多相的多相装置来设计和操作，按照工业惯例，三相马达是优选的。对于三相马达来说，细槽/极/相的比例＝0.5，转子极的数量是定子细槽数量的三分之二，并且细槽的数量是相数的倍数。虽然按照工业惯例，该机器通常以Y形构造连线，也可以采用三角形构造。

例如，图1所示的本发明机器的实施例可通过经由三相电源激励线圈而作为三相马达来操作。在图1虚线中包括的截面在垂直于转动轴线的平面上分成平分每个定子铁心102的两个子部分时，如图2虚线所示，最容易分析该机器。这还可分开轴向南北转子磁体对。子部分在两个方面不同于传统的径向气隙的马达。首先，不如同传统径向气隙马达那样，三个定子相不通过公共护铁件实体连接，其中公共护铁件提供磁耦合。其次，两个转子磁体不通过公共转子件连接，公共转子件同样提供磁耦合。

横穿磁通径向气隙马达任选地制成小区段并且随后组装，这在制造非常大的机器(例如直径大于两米)中是所需方法。使用低成本卷筒卷绕技术，可容易制成线圈，这样可以减小制造成本。即使对于预先磁化的转子磁体来说，组装过程中所遇到的磁力可安全地通过分段的组件来适应。

使用低损失材料的高极数、高频结构

在特定实施例中，本发明还提供一种具有高极数的径向气隙的电气装置，该装置在高频下操作，即转换频率高于大约400Hz。在某些情况下，该装置在从大约500Hz到2kHz或更大的转换频率范围下操作。对于高速马达来说，设计者通常避免高极数，这是由于例如Si-Fe的传统定子铁心材料不能在高极数所需的较高频率下操作。特别是，由于在材料内改变磁通造成铁心损失，使用Si-Fe的公知装置不能在显著高于400Hz的磁性频率下转换。在所述极限之上，铁心损失造成材料加热到该装置不能通过可接受的装置冷却的程度，在这种状态下，Si-Fe材料的加热可更加严重，使得机器无论如何不能冷却，并且将自我损坏。但是，已经确定的是非晶态、纳米晶体和非晶粒取向金属的低损失特性允许比Si-Fe材料更高的转换频率。同时，在优选实施例中，由于在高频操作下加热，METGLAS合金的选择消除了系统的限制，转子结构和马达总体构造同样进行改善，以便更好利用非晶态材料的特性。

使用较高的激励频率的能力使得本发明机器可采用更宽范围的可能极数进行设计。本发明装置的极数可根据机器许可尺寸(实体限制)以及所需性能范围而变化。由于受到许可激励频率的限制，极数可以增加，直到磁通泄漏增加到不希望的数值为止，或者直到性能开始降低为止。同样通过定子构造，转子极数存在机械极限，这是由于定子细槽必须与转子磁体重合。另外，可以在定子内制成的细槽数量存在机械和电磁限制，这继而是机器框架尺寸的函数。可以设置某些边界，以便通过铜和软磁性材料的适当平衡，确定给定定子框架的细槽上限，这可以用作制造良好性能的径向气隙机器的参数。本发明为马达提供比大多数机器的工业数值大4或5倍的极数。

作为实例，对于具有6-8个极的典型工业马达、对于大约800-3600rpm速度的马达来说，转换频率是大约100-400Hz。转换频率(CF)是转动速度和极对数量的乘积，其中极对数量是极的数量除以2，并且转动速度是每分钟转数的单位(CF＝rpm/60×极/2)。同样，工业中所得的装置是具有大于16个极的装置，但是速度小于1000rpm，始终与小于400Hz的频率相对应。作为选择，还可得到具有相对低的极数的马达(例如小于6个极)，并且速度高达30000rpm，这始终与小于大约400Hz的频率相对应。在代表性实施例中，本发明提供96个极、1250rpm、1000Hz的机器、54个极、3600rpm、1080Hz的机器、4个极、30000rpm、1000Hz的机器以及2个极、60000rpm、1000Hz的机器。本发明的高频马达可在比由传统材料和结构构成的公知径向气隙马达高4-5倍的频率下操作。在相同速度范围内操作时，本发明的马达比本领域中典型径向气隙马达更加有效地操作，并且由此提供更大的速度选择。本发明的构造特别有利于非常大的马达的构造。使用高极数(例如至少32个极)以及高转换频率(例如500-2000Hz)的组合，可按照本发明以如下方式构造非常大的机器，即能量效率高、功率密度高、便于组装以及有效地使用高成本的软和硬磁性材料。

理想的是，转子磁体152和定子铁心202应该具有形成气隙的弧形表面。但是，本发明机器中可以具有高极数，使得形成气隙的磁体152和定子铁心的端部的表面是平的。在高极数装置中，面对的表面只延伸一个小角度，使得平表面足以近似于作为圆柱形表面的弧形区段的表面。由于通过在定子中使用非晶态、纳米晶体或增加磁通的Fe基磁性材料可以实现高极数和高频率相结合，因此可以使用更便宜、矩形形状定子磁体152。另外，出于相同的原因，定子铁心还可制成平表面，造成进一步节省成本。具有这种形状的定子铁心和转子磁体将非常有效地使用所得空间，而不影响性能。

每相每极的细槽比例

本发明机器的结构在选择最佳SPP比例中提供显著的灵活性。在优选实施例中，本发明提供一种其中SPP比例最佳等于0.5的马达。

传统构造的马达通常提供1-3的SPP比例，以便获得可接受的功率和噪音水平，并且由于更好的绕组分布，提供更加平稳的输出。但是，已经寻求具有例如0.5的较低SPP值的结构来减小端匝影响。端匝是定子中连接细槽之间的绕组的线材部分。虽然需要这种连接，端匝不有助于该机器的扭矩和功率输出。在这种情况下，它们是不希望的，其中它们增加所需线材数量并且增加机器的欧姆损失，同时不提供任何优点。因此，马达设计者的一个目的是减小端匝，并且提供可控制噪音和扭矩变动的马达。另一方面，本发明马达的优选应用使得SPP比例减小，以及噪音和扭矩变动减小。这种优点通过以高极数和细槽数量来实现。这种选择在现有技术机器中是不可能的，这是由于在不使用高级低损失定子材料的情况下，不能增加所需的转换频率。

本发明机器的优选实施例有利地设计成1或更小的SPP比例，更优选为0.5或更小。可以将多个细槽连接到公共磁性区段上，由此提供大于0.5的SPP。这是定子细槽的数量大于转子极数的结果，造成分布绕组。小于或等于0.5的SPP值表示没有分布绕组。本领域惯例是在定子中包括分布绕组。但是分布绕组将增加SPP值，并且减小给定速度的频率。因此，在SPP＝0.5并且在低频下操作的传统机器中，极数同样很低。低极数和SPP＝0.5相结合造成非常难以控制扭矩变动。

对于某些应用来说，有利的是具有分数值的SPP的马达，这是由于这种马达可采用围绕单个定子齿预先成形的线圈。在本发明机器的不同实施例中，SPP比例是整数的比例，例如0.25、0.33、0.5、0.75或1.0。SPP还可大于1.0。在特别适用于三相应用的优选实施例中，SPP比例是0.5。

布线/绕组结构的灵活性

本发明定子结构的某些实施例的另一优点在于对于相同的结构可以使用交替的布线情况。传统定子结构限制绕组结构的选择，这是由于所述精力集中在使用1.0-3.0的SPP比例，这需要在多个定子铁心102上分布绕组。因此难以具有带有分布绕组的两个或三个以上的绕组方案。本发明的构造提供利用SPP＝0.5结构的能力，其中每个定子齿通常只有一个离散线圈。但是，本发明不排出SPP＝0.5的其它配置的情况。具有单个齿线圈的实施例可方便地调整，并且重新进行连接，以便提供给定应用所需的任何电压。因此，按照本发明的单个一组马达硬件可简单通过改变线圈来提供范围广的解决方案。通常，线圈是电磁电路中最容易调节的部件。

因此，由于本发明的装置中给定接近0.5的SPP比例，在定子绕组的构造中具有显著的灵活性。例如，制造商可相互分开地卷绕每个定子，或者制造商可在相同的定子中提供分开的定子绕组。这种能力是具有等于0.5的SPP的系统的一个优点。虽然某些特定应用的工业系统偶尔采用SPP＝0.5，它们并不广泛，并且不能成功地进行推广。本发明成功地提供用作SPP等于0.5的系统，该系统使得绕组中具有这种灵活性。

热性能

在包括那些使用Si-Fe合金和那些使用非晶态、纳米晶体和晶粒取向或非晶粒取向的Fe基金属的所有电气装置中，限制装置输出和速度的一个特征是废热。废热来自于多个来源，主要是欧姆损失、表皮和近效损失、来自于磁体以及其它转子部件中涡电流的转子损失以及来自于定子铁心的定子损失。由于所产生的大量废热，传统机器很快达到其排出废热的能力极限。传统机器的“连续功率极限”通常通过机器可连续操作并且排出所产生的所有废热的最大速度来限定。连续功率极限是电流的函数。功率极限还通过许可温度上升来影响，这必须与马达中的绝缘和其它部件的额定温度一致地选择。在设计成在空气中进行操作的马达中，选择开启或闭合框架的部分确定冷却流的程度。某些应用可以进行液体冷却，这改善热吸收能力，并且提供较高的额定值和较高的功率密度，但是装置的更加复杂。本发明机器的多种应用可采用任何和所有的这些变型。

但是在本发明的装置中，由于非晶态、纳米晶体或晶粒取向或非晶粒取向Fe基材料具有比Si-Fe低的损失，所产生的废热较少，并且设计者可通过增加频率、速度和功率来利用这些低损失特性，并且接着正确地平衡和“交换”低特性损失与欧姆损失。用于本发明实施例中的许多改进的材料也具有较低的激励电流，进一步减小了欧姆损失。总体上，对于与传统机器相同的功率来说，本发明的马达显示较少的损失，以及较高的扭矩和速度。因此，本发明的装置可通常实现比传统机器高的连续速度极限。

改善的效率

本发明的实施例在大多数情况下提供一种实现所需性能的装置，该装置有效并且节约成本。效率限定为该装置的功率输出除以功率输入。本发明机器的在高极数的情况下同时在较高的转换频率下进行操作的能力造成具有低铁心损失和高功率密度的更加有效的装置。对于高频结构来说，400Hz的频率极限是工业标准，很少有某些应用能够超过它。

本发明的性能和增加的效率不是简单的用非晶态金属代替Si-Fe的固有特征。已经进行了许多尝试，并且没有成功地设计一种使用这些材料的可变径向气隙马达。本发明提供一种新型定子结构，该结构利用非晶态、纳米晶体和晶粒取向或非晶粒取向的Fe基材料性能以便提供径向气隙马达。

本发明还提供其中显著减小包括滞后损失的效率损失的装置。滞后损失由晶粒取向的Si-Fe合金磁化期间的不良的畴壁运动造成，这可以造成铁心过热。由于增加的效率，本发明的马达能够实现更大的连续速度范围。该速度范围问题描述为扭矩-速度。传统马达受到限制之处在于它们不能提供用于高速范围的低扭矩(低功率)，也不能提供用于低速范围的高扭矩。本发明成功地提供具有用于高速范围的高扭矩的马达。

已经相当完全详细地描述了本发明，将理解到这些细节不作为限制，相反本领域普通技术人员将理解到另外的变型、改型以及附加配置和手段，它们全部落入所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (22)

1.一种电动-发电机器，包括：

(a)至少一个定子组件，多个定子绕组以及受到支承以便围绕转动轴线转动的至少一个转子组件，所述转子和定子组件与所述转动轴线同心；

(b)所述至少一个转子组件包括至少一个转子磁体结构，所述磁体结构提供具有北极性和南极性的磁极，所述极布置在大致平并且垂直于所述转动轴线而且轴向隔开的至少两个转子层之间，每个所述层具有相同数量的极，并且每个所述层中的所述极围绕所述转子组件的周边等角度布置在其圆柱形周边上；

(c)所述至少一个定子组件包括多个定子铁心，每个所述定子铁心终止于第一和第二定子极面，所述定子铁心围绕所述定子组件的周边等角度布置，使得：

(i)每个所述定子铁心的所述第一和第二极面轴向对准地位于所述定子组件的圆柱形周边上；

(ii)所述第一定子极面在径向靠近所述转子层之一的第一定子层内；以及

(iii)所述第二定子极面在靠近另一所述转子层的第二定子层内；以及

(d)所述定子绕组围绕所述定子铁心。

2.如权利要求1所述的电动-发电机器，其特征在于，所述转子磁体结构包括多个离散的转子磁体，每个所述的磁体在其相对端部具有限定北极和南极的极性，并且每个所述层中的所述极围绕所述转子组件的周边等角度布置在其圆柱形周边上，使得：

(i)每个所述磁体的所述端部之一位于所述转子组件的圆柱形周边上；以及

(ii)所述周边上的所述端部具有周向交替的北极和南极。

3.如权利要求2所述的电动-发电机器，其特征在于，每个所述磁体通过靠近所述磁体的另一个所述端部的透磁连接构件磁性连接到相邻一个所述磁体上。

4.如权利要求3所述的电动-发电机器，其特征在于，所述连接构件包括透磁材料的片材层压件。

5.如权利要求4所述的电动-发电机器，其特征在于，所述透磁材料选自包括非晶态、纳米晶体和增加磁通的铁基磁性材料的组中。

6.如权利要求3所述的电动-发电机器，其特征在于，所述连接构件周向靠近磁体。

7.如权利要求3所述的电动-发电机器，其特征在于，所述连接构件轴向靠近磁体。

8.如权利要求1所述的电动-发电机器，其特征在于，所述磁体包括稀土过渡金属合金。

9.如权利要求8所述的电动-发电机器，其特征在于，所述磁体是SmCo或FeNdB磁体。

10.如权利要求1所述的电动-发电机器，其特征在于，在所述转子层中具有相反极性的极轴向对准。

11.如权利要求1所述的电动-发电机器，其特征在于，在所述转子层中具有相反极性的极倾斜一定数量，该数量在所述周向相邻的定子铁心之间大约一半距离的范围内。

12.如权利要求1所述的电动-发电机器，其特征在于，包括提供所述磁极的多个所述的磁体结构。

13.如权利要求1所述的电动-发电机器，其特征在于，所述定子铁心包括层压层，该层包括选自包括非晶态、纳米晶体和增加磁通的铁基磁性材料的组中的材料。

14.如权利要求1所述的电动-发电机器，其特征在于，具有大约0.25-4.0的每相每极的细槽比例。

15.如权利要求14所述的电动-发电机器，其特征在于，具有大约0.25-1的每相每极的细槽比例。

16.如权利要求15所述的电动-发电机器，其特征在于，具有0.50的每相每极的细槽比例。

17.如权利要求1所述的电动-发电机器，其特征在于，具有至少16个极。

18.如权利要求1所述的电动-发电机器，其特征在于，适用于以大约500Hz-2kHz的转换频率操作。

19.如权利要求18所述的电动-发电机器，其特征在于，具有至少32个极。

20.如权利要求1所述的电动-发电机器，其特征在于，所述转子组件在所述定子组件的径向内部。

21.如权利要求1所述的电动-发电机器，其特征在于，所述定子组件在所述转子组件的径向内部。

22.如权利要求1所述的电动-发电机器，其特征在于，还包括用于接口和控制所述机器并且可操作连接其上的功率电子装置。

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