專利名稱：帶有前鐵的高效軸向氣隙電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)器；特別涉及軸向氣隙的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)器，所述機(jī)器包括轉(zhuǎn)子組件和定子組件，所述定子組件包括前鐵部分、后鐵部分和多個(gè)定子齒部分。
背景技術(shù)：
電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)工業(yè)一直在尋找提供具有增加的效率和功率密度的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)器。如本文中使用的一樣，術(shù)語(yǔ)“電機(jī)”指各種將電能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或相反的電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)。這些機(jī)器包括那些可選作為電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)或再生電動(dòng)機(jī)使用的裝置。術(shù)語(yǔ)“再生電動(dòng)機(jī)”在這里用作指代可作為電動(dòng)機(jī)或作為發(fā)電機(jī)工作的裝置。已知有多種電動(dòng)機(jī)，包括永磁式、繞線磁極式、感應(yīng)式、可變磁阻式、開關(guān)磁阻式以及有刷或無(wú)刷式電動(dòng)機(jī)。它們可直接由電力線路、電池或其他替代電源提供的直流或交流電源激勵(lì)。或者，它們也可由電子驅(qū)動(dòng)線路合成的具有所需波形的電流供電。從任意機(jī)械源得到的旋轉(zhuǎn)能可驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)的輸出可直接連接到負(fù)載上或使用電源電子電路調(diào)整。給定的機(jī)器可選連接在機(jī)械源上，所述機(jī)械源可在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的不同時(shí)期用作源或機(jī)械能量消能器。因此，該機(jī)器可用作再生發(fā)動(dòng)機(jī)，如通過(guò)使用可進(jìn)行四象限工作的電源調(diào)整線路連接。
旋轉(zhuǎn)機(jī)器一般包括通常稱為定子的靜止部件和通常稱為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)部件。轉(zhuǎn)子和定子的相鄰面被穿過(guò)了連接轉(zhuǎn)子和定子的磁通的小氣隙隔開。對(duì)于熟練的技術(shù)人員可以理解，旋轉(zhuǎn)機(jī)器可包括多個(gè)機(jī)械連接起來(lái)的轉(zhuǎn)子和多個(gè)定子。事實(shí)上，所有旋轉(zhuǎn)機(jī)器均可按照慣例分為徑向或軸向氣隙類型。徑向氣隙類型中的轉(zhuǎn)子和定子沿徑向分隔開，貫穿的磁通量主要指向垂直于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的方向。在軸向氣隙裝置中，轉(zhuǎn)子和定子沿軸向間隔開且磁通的貫穿方向主要平行于旋轉(zhuǎn)軸。
除了某些專用類型，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)通常使用一種或多種軟磁材料。“軟磁材料”是指很容易且高度地磁化和去磁的材料。每個(gè)磁化循環(huán)中磁性材料無(wú)法避免要損耗的能量稱為磁滯損耗或鐵耗。磁滯損耗的量值是激勵(lì)振幅和頻率兩者的函數(shù)。
軟磁材料還呈現(xiàn)出高的磁導(dǎo)率和低的磁矯頑力。電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)還包括由一個(gè)或多個(gè)永磁體或繞有載流繞組的附加軟磁材料提供的磁動(dòng)勢(shì)源。“永磁材料”，也稱為“硬磁材料”，是指具有高的磁矯頑力并強(qiáng)烈保持其磁性且抗去磁的磁性材料。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的類型的不同，永磁和軟磁材料可安置在轉(zhuǎn)子或定子上。
到目前為止，目前生產(chǎn)的大部分電動(dòng)機(jī)采用各種類別的電氣或電動(dòng)機(jī)鋼作為軟磁材料，電氣或電動(dòng)機(jī)鋼是鐵和一種或多種合金元素特別包括Si、P、C和Al的合金。最常見地，Si是主要的合金元素。雖然一般認(rèn)為由高級(jí)永磁材料構(gòu)成轉(zhuǎn)子且由高級(jí)低損耗軟磁材料如非晶金屬構(gòu)成定子的電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)與其他常規(guī)徑向氣隙電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)相比有可能提供更高的效率和功率密度，但現(xiàn)在還沒(méi)有成功制造這種軸向或徑向氣隙的機(jī)器。先前將非晶金屬用于常規(guī)徑向或軸向氣隙機(jī)器的嘗試在商業(yè)上基本都失敗了。早先的設(shè)計(jì)主要包括將定子和/或轉(zhuǎn)子用繞組或通常在內(nèi)外表面間切割出齒的非晶金屬疊片替換。非晶金屬具有獨(dú)特的磁性和機(jī)械性質(zhì)，使得它很難或不可能直接替換常規(guī)設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)中的普通鋼。
現(xiàn)今工藝中的一些應(yīng)用，包括各種不同領(lǐng)域如高速機(jī)床、航空發(fā)動(dòng)機(jī)和致動(dòng)器以及壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器，需要可高速(即高轉(zhuǎn)速rpm)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，這些電機(jī)的速度許多情況下超過(guò)15,000-20,000rpm，一些情況下可達(dá)100,000rpm。高速電動(dòng)機(jī)幾乎總是制成低磁極數(shù)，以免電動(dòng)機(jī)中工作在高頻的磁性材料承受過(guò)高的鐵耗，這將造成低效的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。這主要是由于現(xiàn)今大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的軟磁材料是硅-鐵合金(Si-Fe)。眾所周知，以高于約400Hz的頻率改變常規(guī)基于Si-Fe的材料中的磁場(chǎng)引起的損耗會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)熱，時(shí)常到達(dá)無(wú)法使用任何容許的方法使裝置冷卻的程度。
目前為止，已證明很難有效地提供利用低損耗材料的容易生產(chǎn)的電氣裝置。先前在常規(guī)機(jī)器中采用低損耗材料的嘗試基本都失敗了，原因是早先的設(shè)計(jì)通常僅僅依賴于用新的軟磁材料如非晶金屬替換機(jī)器磁芯中的常規(guī)合金如硅-鐵。得到的電機(jī)有時(shí)提供了增加的效率和較小的損耗，但它們的功率輸出都有無(wú)法接受的降低，且與處理和形成非晶金屬相關(guān)的成本顯著提高。因而，它們還沒(méi)有獲得商業(yè)上的成功或市場(chǎng)的暢銷。
然而，可工作在高頻和高速下的電機(jī)中出現(xiàn)的另一個(gè)問(wèn)題是轉(zhuǎn)子的發(fā)熱。轉(zhuǎn)子相對(duì)定子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁體在每次轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中經(jīng)受磁導(dǎo)系數(shù)的周期變化，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子磁體交替經(jīng)過(guò)與定子鐵芯的齒對(duì)齊的位置和位于定子齒間的間隙中心的位置。磁導(dǎo)的這種變化繼而引起轉(zhuǎn)子內(nèi)磁通的變化，依照法拉第定律感應(yīng)出漩渦電流。這些電流有時(shí)很大，足以使轉(zhuǎn)子嚴(yán)重發(fā)熱。發(fā)熱繼而可能導(dǎo)致不可逆的磁化損耗并降低裝置的輸出。極端情況下，發(fā)熱甚至可以嚴(yán)重到降低轉(zhuǎn)子磁體的壽命或毀壞轉(zhuǎn)子磁體。
因而，技術(shù)中需要高效的電氣裝置，該裝置完全利用與低損耗材料相關(guān)的特性，因而消除了與常規(guī)機(jī)器有關(guān)的弊端。理論上，改進(jìn)的機(jī)器可提供機(jī)械能和電能形式間的較高效率的轉(zhuǎn)換。提高由礦物燃料推動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的效率可同時(shí)降低空氣污染。機(jī)器可更小、更輕，且滿足更為嚴(yán)格的轉(zhuǎn)矩、功率和速度方面的要求。冷卻要求可被降低。對(duì)于給定的充電周期，電池電源驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)工作的時(shí)間可更長(zhǎng)。對(duì)于某些應(yīng)用，軸向氣隙機(jī)器因其大小和形狀以及特殊的機(jī)械特征而更為適合。對(duì)于軸向和徑向氣隙裝置都探索了類似的機(jī)器特性改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了電動(dòng)電機(jī)，所述電動(dòng)電機(jī)包括轉(zhuǎn)子組件和定子組件，所述定子組件包括前鐵部分、后鐵部分和多個(gè)定子齒部分。該電氣裝置可具有從低至高的任意數(shù)量的磁極。定子優(yōu)選包括通常為環(huán)形的結(jié)構(gòu)，該環(huán)形結(jié)構(gòu)使用由至少一種從由非晶和納米晶金屬以及優(yōu)化鐵基合金構(gòu)成的集合中選出的低鐵損材料構(gòu)成的疊片層。然而，其他軟磁材料也可以用于構(gòu)造全部或部分定子組件。轉(zhuǎn)子組件受支撐以圍繞軸旋轉(zhuǎn)，且包括多個(gè)磁極。該組件被排列和布置以便與定子組件發(fā)生磁性相互作用。低鐵耗高級(jí)軟磁材料的使用使得更寬范圍的磁極數(shù)目和轉(zhuǎn)換頻率成為可能而同時(shí)保持了高工作效率、高功率密度以及更寬范圍的可能工作速度，因而為設(shè)計(jì)提供了很大的靈活性，可依照本發(fā)明生產(chǎn)和運(yùn)行的電機(jī)的實(shí)例包括電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)以及再生電動(dòng)機(jī)，但不局限于這些。一個(gè)或多個(gè)電氣裝置可成為復(fù)合裝置或系統(tǒng)中的部件。這種復(fù)合裝置的一個(gè)實(shí)例是包括一個(gè)或多個(gè)電機(jī)的壓縮機(jī)，其中一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)機(jī)可與風(fēng)扇整合為一體。
本發(fā)明還包括構(gòu)造電動(dòng)機(jī)器的方法，包括(i)提供至少一個(gè)包括后鐵部分和多個(gè)齒部分的定子組件，且定子組件在每相鄰的一對(duì)所述齒部分之間帶有槽和繞在槽中的定子繞組；(ii)提供前鐵部分；以及(iii)提供至少一個(gè)受支撐以便圍繞軸旋轉(zhuǎn)且包括多個(gè)磁極的轉(zhuǎn)子組件，且轉(zhuǎn)子組件被排列和布置以便與至少一個(gè)定子組件發(fā)生磁性相互作用。
電動(dòng)機(jī)器系統(tǒng)包括前述類型的電動(dòng)機(jī)器以及連接和控制該機(jī)器的電源電子電路裝置。該電源電子電路裝置可操作地連接到該機(jī)器上。


參考以下本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明和附圖，可更完全地理解本發(fā)明且其他優(yōu)點(diǎn)將顯現(xiàn)出來(lái)，其中各個(gè)視圖中相似的參考編號(hào)表示相似的元件，其中圖1顯示了依照‘094申請(qǐng)的一個(gè)方面的定子結(jié)構(gòu)的頂視圖，該結(jié)構(gòu)包括多個(gè)定子齒部分、定子繞組和后鐵；圖2為顯示了本發(fā)明的定子結(jié)構(gòu)的截面圖，該結(jié)構(gòu)使用了圖1中示出的類型且還包括了前鐵的定子結(jié)構(gòu)，該截面圖取自圖1中顯示的II-II。
圖3為顯示了依照本發(fā)明的軸向氣隙電氣裝置的實(shí)施例的定子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子的部分分解圖，顯示了轉(zhuǎn)子磁體、前鐵、定子繞組、定子鐵芯和后鐵，為清楚起見省略了定子架；圖4為定子損耗在有負(fù)載(□)和無(wú)負(fù)載(◇)的條件下與依照本發(fā)明的電氣裝置的前鐵厚度的關(guān)系的曲線；圖5為性能與依照本發(fā)明的電氣裝置的前鐵厚度的關(guān)系的曲線；圖6為峰值定子鐵芯磁通密度在有負(fù)載(△)和無(wú)負(fù)載(□)條件下與依照本發(fā)明的電氣裝置的前鐵厚度的關(guān)系的曲線；圖7是反-EMF(◇)和電感常數(shù)(□)與依照本發(fā)明的電氣裝置的前鐵厚度的關(guān)系的曲線；圖8是功率損耗(△)、轉(zhuǎn)子渦流損耗(◇)和無(wú)用耗散損耗密度(□)與依照本發(fā)明的電氣裝置的前鐵厚度的關(guān)系的曲線；圖9是功率因子(◇)和效率(△)與依照本發(fā)明的電氣裝置的前鐵厚度的關(guān)系的曲線；以及圖10是扭矩變動(dòng)(◇)與依照本發(fā)明的電氣裝置的前鐵厚度的關(guān)系，以及扭矩波紋與依照本發(fā)明的電氣裝置的前鐵厚度的關(guān)系在電流密度為10A/mm2(□)、20A/mm2(◇)以及30A/mm2(□)時(shí)的曲線。
具體實(shí)施例方式
以下將參照附圖更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種包括定子組件和帶有前鐵部分、后鐵部分和多個(gè)定子齒部分的定子組件的電機(jī)。如本文所使用，術(shù)語(yǔ)“前鐵”是指由軟磁材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)靠近帶有齒部分的定子的表面安置，對(duì)著后鐵的位置且貼近轉(zhuǎn)子。如以下將詳細(xì)描述，前鐵的存在加上低鐵耗定子材料的使用對(duì)于現(xiàn)在的機(jī)器是優(yōu)選的。在優(yōu)選實(shí)施例中，機(jī)器為永磁無(wú)刷型，且定子和轉(zhuǎn)子成軸向氣隙型的構(gòu)造。
本發(fā)明可包括一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子組件和一個(gè)或多個(gè)定子組件。因而，這里參照電機(jī)使用的術(shù)語(yǔ)“一個(gè)定子”和“一個(gè)轉(zhuǎn)子”意為范圍從1個(gè)至多達(dá)3個(gè)或更多的多個(gè)轉(zhuǎn)子和定子。在軸向氣隙機(jī)器的結(jié)構(gòu)中，單個(gè)轉(zhuǎn)子位于兩個(gè)相對(duì)的定子間的構(gòu)造有利地降低了轉(zhuǎn)子上的軸向推力，這是因?yàn)楦鱾€(gè)轉(zhuǎn)子施加在定子上的引力被沿著相反的方向引導(dǎo)向且大致抵消。
裝置總體結(jié)構(gòu)一般轉(zhuǎn)讓的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.60/444,271的(“‘271申請(qǐng)”)和美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/769,094的(“‘094申請(qǐng)”)提供了一種具有布置成軸向氣隙結(jié)構(gòu)但缺少前鐵的轉(zhuǎn)子組件和定子的電氣裝置，這兩個(gè)申請(qǐng)均通過(guò)引用整體結(jié)合在本文中。定子包括后鐵部分和多個(gè)定子齒部分，優(yōu)選使用低損耗、高頻材料制成。圖1示出了根據(jù)‘094申請(qǐng)的一個(gè)方面的定子組件10的頂視圖，顯示了包括了從后鐵16上懸掛下來(lái)的定子齒部分且定子繞組14繞在齒部分12上的整體結(jié)構(gòu)。后鐵和齒部分可形成為示出的整體結(jié)構(gòu)，其中的齒部分整體從后鐵部分中懸垂下來(lái)，或形成為用任意適合的方法如粘合劑固定在一起的獨(dú)立部件。定子10及其繞組14可安置在定子架(未顯示)中或裝入合適的有機(jī)絕緣材料中。依照‘094申請(qǐng)的一種電氣裝置還包括定子組件，所述定子組件帶有多個(gè)沿圓周隔開且相對(duì)定子組件排列成軸向結(jié)構(gòu)的永磁體。
旋轉(zhuǎn)機(jī)器、尤其是無(wú)刷永磁電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可能發(fā)生的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題與轉(zhuǎn)子組件在其轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中經(jīng)受磁場(chǎng)環(huán)境的規(guī)則變化而引起的發(fā)熱有關(guān)。常用磁導(dǎo)系數(shù)(Pc)的概念來(lái)量化此效應(yīng)。特別地，磁導(dǎo)系數(shù)通常依照磁體在其工作點(diǎn)上的第二象限磁化(B-H)曲線定義，且由公式Pc＝Bd/Hd給出，其中，-Hd為去磁磁場(chǎng)，Bd為從磁體發(fā)射出來(lái)的有效磁通量，兩者均取自工作點(diǎn)下。Pc隨著轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的位置變化，工作點(diǎn)相應(yīng)按照反射任意時(shí)刻存在的通量B的方式沿著B-H曲線移動(dòng)。依照法拉第定律，變化的磁通連續(xù)在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出渦旋電流。這些循環(huán)電流可在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生很大的熱量，在額定100kW的機(jī)器內(nèi)發(fā)熱可達(dá)10kW，這在一些情況下足以導(dǎo)致不可逆的磁體損耗甚至毀壞轉(zhuǎn)子磁體。提出的一種減小轉(zhuǎn)子磁體承受的磁導(dǎo)系數(shù)變化的方法是引入凸出的磁極，也稱為齒尖，它們通過(guò)加寬定子芯對(duì)著氣隙的表面的截面面積而形成。幾乎所有的常規(guī)徑向氣隙機(jī)器都采用凸出的磁極來(lái)提高從轉(zhuǎn)子引導(dǎo)穿過(guò)定子齒的磁通量。加寬的極尖在通常在徑向氣隙定子中使用的沖壓疊片中相對(duì)較容易提供。然而，凸出的磁極不容易加工到軸向氣隙機(jī)器的定子中，因而通常成本上不允許在軸向氣隙機(jī)器中加入凸出的磁極。
本發(fā)明通過(guò)提供包括前鐵的新式定子組件，以成本有利的方式解決定子磁體中的發(fā)熱問(wèn)題。前鐵的存在減小了轉(zhuǎn)子磁體在旋轉(zhuǎn)時(shí)承受的磁導(dǎo)系數(shù)的變化，因而降低了在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生渦旋電流的磁通的變化范圍。依照本發(fā)明的電氣裝置的定子中的發(fā)熱量可大大降低，例如，在額定100kW的機(jī)器中從10kW降至2kW或更低。因此，轉(zhuǎn)子磁體的壽命可顯著延長(zhǎng)，電氣裝置的壽命因而延長(zhǎng)。雖然在高極數(shù)電機(jī)實(shí)施例中使用前鐵特別適合，低極數(shù)裝置中也是有益的。
如圖2所示，適合于本機(jī)器的一種形式的定子組件通過(guò)在圖1中顯示的類型的定子中加入前鐵來(lái)構(gòu)造。首先，通過(guò)將低損耗高頻帶形材料螺旋纏繞成環(huán)形形成金屬中心。該環(huán)形為大致直的圓柱殼形狀，沿軸向觀察時(shí)具有內(nèi)直徑和外直徑。從內(nèi)直徑“d”軸向延伸至外直徑“D”且圍繞在上述形成的全環(huán)形圈周圍的環(huán)形末端表面區(qū)域22限定了表面積。金屬芯具有限定了環(huán)形圈高度的軸向延伸。繞線后，鐵芯經(jīng)加工以提供外寬度為“w”且大體為徑向指向的槽16。槽24的深度沿軸向在環(huán)形圈的高度內(nèi)僅延伸了部分。這些槽降低了金屬芯的總末端表面積。去掉槽后剩下的環(huán)形區(qū)域部分為總面積(TA)，對(duì)于其中的低損耗高頻材料為非晶金屬的實(shí)施例也稱為非晶金屬區(qū)域(AMA)。因?yàn)椴?4從內(nèi)直徑完全延伸至外直徑，環(huán)形圈的開槽部分中的定子中心的內(nèi)直徑和外直徑不是連續(xù)的。從槽空間中去除材料產(chǎn)生了多個(gè)齒14。齒和槽的數(shù)目是相同的。留在槽深度下的沿圓周連續(xù)的材料可作為后鐵部分16，該后鐵部分為齒部分12中的磁通提供隔板。在優(yōu)選實(shí)施例中，為了可成形性和機(jī)械完整性，齒的最窄部分不小于0.1英寸。
槽24用導(dǎo)電定子繞組14按照為給定電氣裝置設(shè)計(jì)預(yù)選的纏繞方法纏繞。通常，優(yōu)選使用便宜的高導(dǎo)電性導(dǎo)線如銅線或鋁線，但也可以采用各種材料和形狀，包括其他金屬和合金以及半導(dǎo)體材料。導(dǎo)線的截面可以是任意形狀，但圓形和方形導(dǎo)線是最常見的。在某些高頻應(yīng)用中，絞線或Litz線可能較為有利。優(yōu)選的纏繞方案中每個(gè)齒12需要一個(gè)線圈。每個(gè)線圈通常包括多圈導(dǎo)線。然而，技術(shù)中已知的任何繞組配置都可以應(yīng)用。這些繞組可圍繞齒形成，或者它們可以單獨(dú)作為組件準(zhǔn)備好并滑動(dòng)到齒末端上。
定子組件10以及定子繞組14可安置在定子架(未顯示)中。定子組件優(yōu)選用的合適有機(jī)絕緣材料例如不在定子磁場(chǎng)材料中感應(yīng)額外壓力的材料罐裝在定子架內(nèi)。雖然定子架優(yōu)選為非磁性的，但對(duì)定子架材料的導(dǎo)電性沒(méi)有限制。可影響定子架材料的選擇的因素包括要求的機(jī)械強(qiáng)度和熱性質(zhì)。任何可恰當(dāng)?shù)刂味ㄗ咏M件的材料均可用作定子架。在特定的實(shí)施例中，定子架用鋁制成。
定子組件10還包括前鐵18。在圖2中示出的實(shí)施例中，前鐵18包括環(huán)狀低損耗磁性材料。前鐵獨(dú)立形成并隨后安裝在齒面上。這種以及其他定子組件包括單獨(dú)部件的實(shí)施例可通過(guò)將組成零件用粘合、夾鉗、焊接或其他領(lǐng)域中已知的方法連接起來(lái)形成。例如，多種粘合劑可能是適合的，包括那些由環(huán)氧樹脂、清漆、厭氧粘合劑、氰基丙烯酸鹽粘合劑以及室溫硫化(RTV)硅樹脂材料等組成的粘合劑。粘合劑理想地具有低的粘性、低的收縮、低的彈性彈性模量、高的剝離強(qiáng)度、高的工作溫度性能以及高的絕緣強(qiáng)度。定子槽可在部件組裝之前或之后繞上定子繞組。
一些實(shí)施例中，前鐵用其他有利的方式運(yùn)作，可包括(i)減小或基本消除裝置的電壓或電流波形基頻中的諧波；(ii)提高電氣裝置的效率；以及(iii)提供磁阻補(bǔ)償以降低扭矩變動(dòng)。
后鐵、前鐵和齒部分由軟磁材料構(gòu)成。在優(yōu)選實(shí)施例中，這些部分用低損耗材料例如非晶金屬、納米晶金屬或優(yōu)化的鐵基合金制成。不需要在全部部分中使用相同的材料。在優(yōu)選實(shí)施例中，前鐵由環(huán)狀軟磁材料構(gòu)成。即使在后鐵和齒部分由低損耗材料組成的實(shí)施例中，前鐵也可由常規(guī)材料制成。例如，前鐵可采用常規(guī)晶粒取向的鐵基材料、非晶粒取向的鐵基材料或其他硅-鐵合金。低損耗材料的使用降低了前鐵損耗，同時(shí)使前鐵優(yōu)勢(shì)的其他有利之處最大化，如下文將更詳細(xì)討論的那樣。在其他實(shí)施例中，前鐵包括注入模制材料或與粘合劑、有機(jī)樹脂或其他合適絕緣材料結(jié)合的軟磁材料的粉末。
圖2中示出的定子組件10的實(shí)施例中，前鐵的外直徑和內(nèi)直徑大致等于定子芯的外直徑和內(nèi)直徑，且定子繞組沿徑向延伸超過(guò)前鐵的外直徑和內(nèi)直徑。前鐵、轉(zhuǎn)子組件以及定子組件的外直徑和內(nèi)直徑優(yōu)選相似，但它們不必完全相同。在其他實(shí)施例中，前鐵部分的大小不同于定子組件的后鐵和齒部分的大小。特別地，前鐵的內(nèi)直徑或外直徑之一或兩者都大于或小于后鐵和齒部分的相應(yīng)內(nèi)直徑和外直徑。
其他在本發(fā)明的應(yīng)用中有用的定子結(jié)構(gòu)形式已在前面提到的‘271和‘094申請(qǐng)中給出。
或者，一個(gè)單一結(jié)構(gòu)提供了齒部分和前鐵。在本方法的這種實(shí)現(xiàn)中，形成槽時(shí)去掉了相對(duì)較大部分的材料，原因是前鐵通常比后鐵薄。單獨(dú)形成的環(huán)狀后鐵隨后安裝到定子組件的相反表面上。定子槽可在部件組裝之前或之后繞上定子繞組。
在另一種實(shí)施例中，定子芯、后鐵以及前鐵全部從單獨(dú)的環(huán)狀低損耗材料加工成完全單一的組件，且槽上繞以定子繞組。
在又一種實(shí)施例中，前鐵和后鐵結(jié)構(gòu)均由環(huán)裝圈加工而成。槽和齒分部設(shè)置在每個(gè)結(jié)構(gòu)的表面中。這些結(jié)構(gòu)與各自放入配合支座的齒分部組裝成對(duì)立關(guān)系。定子組件的每個(gè)齒分部包括從前鐵和后鐵兩部分中懸垂下來(lái)的齒分部。
在另一種實(shí)施例中，前鐵和后鐵部分加工成圓柱形環(huán)狀圈且獨(dú)立形成的齒分部安置在中間。
在其他實(shí)施例中，前鐵的功能由與定子成對(duì)立關(guān)系安裝在轉(zhuǎn)子上的軟鐵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。在軸向氣隙實(shí)施例中，環(huán)狀圈對(duì)于此前鐵是適合的形式。
同樣提供了一種用于徑向氣隙機(jī)器且包括由一堆環(huán)形疊片結(jié)構(gòu)提供的前鐵的定子組件。在包含外側(cè)定子和內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)子的普通配置中，環(huán)形疊片結(jié)構(gòu)的外直徑與由向內(nèi)突出的定子齒形成的內(nèi)直徑匹配。當(dāng)然，在內(nèi)外倒置的電機(jī)中，環(huán)形疊片結(jié)構(gòu)包圍著定子的外直徑。
本前鐵應(yīng)與用于減輕轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中隨時(shí)間變化的磁通量的可導(dǎo)電但不透磁材料制成的薄護(hù)罩區(qū)別開來(lái)。然而，這種護(hù)罩可用在本發(fā)明的實(shí)施例中以補(bǔ)充前鐵的有利之處。
前鐵的厚度前鐵的厚度優(yōu)選經(jīng)挑選以優(yōu)化電氣裝置的性能。太薄的前鐵環(huán)狀線在例如降低轉(zhuǎn)子損耗時(shí)沒(méi)有效果。另一方面，太厚的前鐵過(guò)多地將轉(zhuǎn)子和/或定子的磁通量路線導(dǎo)入前鐵自身，這可顯著降低電氣裝置的性能。例如，轉(zhuǎn)子永磁體的磁通量?jī)?yōu)選被引導(dǎo)貫穿定子齒的軸向長(zhǎng)度，因而貫穿環(huán)繞的定子繞組。另外，流過(guò)定子繞組的電流產(chǎn)生的磁通量?jī)?yōu)選大部分被引導(dǎo)至氣隙。
前鐵的最佳厚度可以是小于1mm至1mm、2mm、5mm或更多不等。最佳厚度根據(jù)電氣裝置的尺寸和運(yùn)行需求、定子材料的性質(zhì)、定子繞組、前鐵和定子及其固有磁性特性的不同而不同。在特定的實(shí)施例中，對(duì)于用Metglas2605SA1或類似鐵基非晶合金制成的前鐵，最佳前鐵厚度對(duì)于高槽數(shù)設(shè)計(jì)在0.5至1.0mm的范圍。低槽數(shù)、高頻率設(shè)計(jì)采用稍厚的前鐵較為有利。最佳厚度同樣會(huì)隨定子永磁材料的性質(zhì)變化。各種適合于電磁分析且可應(yīng)用領(lǐng)域中的一種普通技術(shù)的計(jì)算機(jī)軟件工具可用于依照各種可影響電氣裝置性能的參數(shù)共同優(yōu)化前鐵厚度。
前鐵厚度可依照裝置結(jié)構(gòu)的其他方面和裝置的性能特性最佳地共同優(yōu)化。重要性能特性的實(shí)例包括轉(zhuǎn)換頻率(優(yōu)選高頻)的選擇以及保持低感應(yīng)系數(shù)和充分的低速控制。其他結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)例如導(dǎo)體和軟磁材料的最佳平衡和齒以及后鐵部分的尺寸受前鐵的包含影響。
本電氣裝置的優(yōu)選實(shí)施例中的非晶、納米晶、優(yōu)化鐵基合金、晶粒取向鐵基或非晶粒取向鐵基材料的使用使得機(jī)器的轉(zhuǎn)換頻率可提高至高于400Hz，而鐵芯損耗與可見于常規(guī)機(jī)器中無(wú)法接受的巨大增加相比僅有相對(duì)較小的增加。在定子鐵芯中采用低損耗材料相應(yīng)地使得可提供增加的功率密度以及提高的效率的高頻率、高極數(shù)的電氣裝置的發(fā)展成為可能。此外，定子鐵芯損耗的降低同樣使得電機(jī)可在遠(yuǎn)高于常規(guī)基本速度的速度下運(yùn)行，而不需要降低扭矩和功率的額定值，這在常規(guī)設(shè)計(jì)的機(jī)器中因熱限制時(shí)常是必需的。
非晶金屬非晶金屬，同樣也稱為金屬玻璃，存在于適合在本電機(jī)中使用的多種不同的化合物中。金屬玻璃通常形成于必需的化合物的合金熔體，這些化合物從熔體快速淬火，例如以至少約106℃/秒的速率冷卻。它們沒(méi)有呈現(xiàn)出長(zhǎng)程原子級(jí)且X射線衍射圖僅顯示散射光暈，與那些在無(wú)機(jī)氧化物玻璃中觀察到的類似。一些具有合適的磁性性質(zhì)的化合物已由Chen等人在美國(guó)專利號(hào)No.RE32,925中列出。非晶金屬通常以寬20cm或更多的延展長(zhǎng)度的薄帶(例如厚度最多約50μm)的形式提供。一種對(duì)不定長(zhǎng)度的金屬玻璃帶的形成有用的工藝已由Narasimhan的美國(guó)專利號(hào)No.4,142,571中公開。適合于用于本發(fā)明的典型非晶金屬材料是由Metglas公司、Conway、SC以不定長(zhǎng)度且寬度可達(dá)20cm而厚度可達(dá)20-25μm的條帶的形式出售的METGLAS2605SA1(見http://www.metglas.com/products/page5_1_2_4.htm)。其他具有必要性質(zhì)的非晶材料也可以使用。
非晶金屬具有一些在生產(chǎn)和使用磁性設(shè)備時(shí)必須考慮的特性。與大多數(shù)軟磁材料不同，非晶金屬(也作金屬玻璃)堅(jiān)硬且易碎，特別是在通常用來(lái)優(yōu)化它們的軟磁性質(zhì)的熱處理之后。因此，許多通常用來(lái)處理用于電機(jī)的常規(guī)軟磁材料的機(jī)械操作很難或無(wú)法在非晶金屬上實(shí)施。將這樣生產(chǎn)的材料沖壓、打孔或切割通常引起不可接受的工具磨損且事實(shí)上在易碎、熱處理過(guò)的材料上不可能實(shí)施。時(shí)常用于常規(guī)鋼材的傳統(tǒng)打孔和焊接通常也被排除。
此外，非晶金屬呈現(xiàn)出比常規(guī)Si-Fe合金低的飽和磁通密度(或感應(yīng))。較低的磁通密度通常造成依照常規(guī)方法設(shè)計(jì)的電機(jī)的功率密度較低。非晶金屬同樣具有比Si-Fe合金低的熱傳導(dǎo)率。因?yàn)闊醾鲗?dǎo)率決定了熱量從熱的地方經(jīng)過(guò)材料傳導(dǎo)到冷的地方的容易程度，較低的熱傳導(dǎo)率值需要謹(jǐn)慎的電機(jī)設(shè)計(jì)以確保由磁性材料中的芯損耗、繞組中的歐姆損耗、摩擦、風(fēng)阻以及其他損耗源引起的多余熱量被充分去除。沒(méi)有充分的去除多余熱量繼而造成電機(jī)的溫度不可接受地升高。過(guò)高的溫度容易造成電氣絕緣或其他電機(jī)部件過(guò)早失靈。一些情況下，過(guò)熱可造成電擊危險(xiǎn)或觸發(fā)災(zāi)難性火災(zāi)或其他健康和安全方面的嚴(yán)重危險(xiǎn)。非晶金屬還呈現(xiàn)出比某些常規(guī)材料高的磁致伸縮系數(shù)。具有較低的磁致伸縮系數(shù)的材料在磁場(chǎng)的影響下經(jīng)受較小的尺寸變化，這又可降低機(jī)器發(fā)出的可聞噪音，并使得材料更容易受機(jī)器制造或運(yùn)行時(shí)感應(yīng)的壓力造成的其磁性性質(zhì)退化的影響。
雖然有這些難題，本發(fā)明的一方面提供了一種成功地結(jié)合了高級(jí)軟磁材料并允許電機(jī)工作在高頻激勵(lì)例如大于約400Hz的轉(zhuǎn)換頻率下的電機(jī)。同樣提供了電機(jī)制造的構(gòu)造技術(shù)。由于構(gòu)造和采用高級(jí)材料特別是非晶金屬的原因，本發(fā)明成功地提供了一種工作在高頻(定義為大于約400Hz的轉(zhuǎn)換頻率)下且高磁極數(shù)的電機(jī)。非晶金屬在高頻下呈現(xiàn)出低得多的磁滯損耗，這使得芯損耗也低得多。與硅-鐵合金相比，非晶金屬的電導(dǎo)率低得多且通常比一般使用的厚度通常為200μm或更多的硅-鐵合金薄。這些特性使得渦旋電流鐵芯損耗更低。本發(fā)明成功地提供了一種電機(jī)，該電機(jī)受益于這些特征中的一種或多種特征，因而有效地工作在高頻下，使用一種允許非晶金屬的有利品質(zhì)如低芯損耗得以利用的構(gòu)造，同時(shí)避免了先前使用高級(jí)材料的嘗試中面臨的難題。
納米晶金屬納米晶材料是平均晶粒大小約為100納米或更小的多晶材料。與常規(guī)質(zhì)地粗糙的金屬相比，納米晶金屬的性質(zhì)主要包括增強(qiáng)的強(qiáng)度和硬度、增強(qiáng)的擴(kuò)散率、更好的柔軟性和韌性、降低的密度、降低的模量、更高的電阻、更高的比熱、更高的熱延展系數(shù)、更低的熱傳導(dǎo)率以及優(yōu)良的磁性性質(zhì)。納米晶金屬還具有通常稍高于鐵基非晶金屬的飽和電感。
納米晶金屬可通過(guò)多種工藝形成。一種優(yōu)選的方法包括首先使用上文中說(shuō)明的工藝將必需的化合物澆鑄成不定長(zhǎng)度的金屬玻璃條帶，并將該條帶制成所需的構(gòu)造如圓形。隨后，起初的非晶材料經(jīng)熱處理形成納米晶微結(jié)構(gòu)。此微結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是存在平均大小小于約100nm，優(yōu)選小于50nm，更為優(yōu)選小于10-20nm的高密度晶粒。晶粒優(yōu)選占據(jù)鐵基合金體積的至少50％。這些優(yōu)選的材料具有低的鐵芯損耗和低的磁致伸縮。后一性質(zhì)還使得材料更不容易受包括該部件的裝置的制造和/或運(yùn)行產(chǎn)生的壓力引起的磁性性質(zhì)退化的影響。在特定合金中產(chǎn)生納米晶結(jié)構(gòu)所需的熱處理必須在比設(shè)計(jì)成在其中保持大體完全玻璃態(tài)微結(jié)構(gòu)的熱處理所需的溫度高或保持更長(zhǎng)的時(shí)間。納米晶金屬優(yōu)選為鐵基材料。然而，納米晶金屬同樣可基于或包括其他鐵磁材料，例如鈷或鎳。適合于用于制造本發(fā)明的磁性元件的代表性納米晶合金已已知，例如Yoshizawa在美國(guó)專利No.4,881,989中以及Suzuki在美國(guó)專利No.5,935,347中列出的合金。這些材料可從Hitachi Metal、Vacuumschmelze GMBH&Co.以及AlpsElectric獲得。具有低損耗性質(zhì)的典型納米晶金屬是Hitachi FinemetFT-3M。另一種具有低損耗性質(zhì)的典型納米晶金屬是VacuumschmelzeVitroperm 500Z。
優(yōu)化的鐵基合金本機(jī)器也可用優(yōu)化的低損耗鐵基晶體合金材料建造。這種材料優(yōu)選為帶形，厚度小于125μm，比常規(guī)用在電機(jī)中的鋼材要薄得多，這些鋼材厚度為200μm或更多，有時(shí)達(dá)到400μm或更多。晶粒取向和非晶粒取向的材料均可使用。如這里使用的一樣，取向材料是一種成分微晶晶粒的主晶軸不是隨機(jī)取向，而是主要沿一個(gè)或多個(gè)優(yōu)選擇優(yōu)方向相關(guān)的材料。由于前述微結(jié)構(gòu)，取向條帶材料對(duì)沿著不同方向的磁激勵(lì)反應(yīng)不同，而非取向材料各向同性地反應(yīng)，即是說(shuō)，對(duì)沿著條帶平面內(nèi)的任意方向有大致相同的反應(yīng)。晶粒取向材料優(yōu)選在本電機(jī)中將其易于磁化的方向與磁通量的主方向大致重合地放置。
如這里使用的那樣，常規(guī)硅-鐵材料指硅重量成分約為3.5％或更少。硅重量3.5％的限制是工業(yè)上因更高硅成分的硅-鐵合金的不良金屬加工材料性質(zhì)而施加的。常規(guī)硅-鐵合金級(jí)別工作在頻率高于約400Hz的磁場(chǎng)下引起的鐵芯損耗遠(yuǎn)高于低損耗材料的鐵芯損耗。例如，一些情況下常規(guī)硅-鐵的損耗可達(dá)到那些在工作在本機(jī)器的頻率和磁通水平下的機(jī)器中遇到的頻率和通量水平下的合適非晶金屬的10倍。因而，很多實(shí)施例中工作在高頻下的常規(guī)材料會(huì)發(fā)熱至常規(guī)機(jī)器無(wú)法通過(guò)任何可接受的方法冷卻的程度。然而，一些級(jí)別的硅-鐵合金(這里稱為優(yōu)化的硅-鐵)可直接應(yīng)用于制造高頻機(jī)器。
在本發(fā)明的應(yīng)用中有用的優(yōu)化鐵基合金包括含有重量大于3.5％、優(yōu)選大于4％的硅的硅-鐵合金級(jí)別。用于建造依照本發(fā)明的機(jī)器的非晶粒取向鐵基材料主要由硅重量含量范圍約為4％至7.5％的鐵硅合金構(gòu)成。這些優(yōu)選合金比常規(guī)硅-鐵合金含有更多的硅。鐵-硅-鋁合金例如Sendust同樣有用。
更為優(yōu)選的非取向優(yōu)化合金的成分主要由含有重量為6.5±1％的硅的鐵構(gòu)成。最為優(yōu)選的是，含有約6.5％的硅的合金呈現(xiàn)出接近零值的飽和磁致伸縮，使得它們更不容易受由含有該材料的裝置在建造或工作時(shí)遇到的壓力引起的有害磁性性質(zhì)退化的影響。
優(yōu)化的目的是為了得到具有改良的磁性性質(zhì)的合金，改良的磁性性質(zhì)包括降低的磁致伸縮，特別是更低的芯損耗。這些有利性質(zhì)可在某些以適當(dāng)制造方法制造的含有增加的硅成分的合金中獲得。一些情況下，這些優(yōu)化的硅-鐵合金級(jí)別根據(jù)與非晶金屬類似的鐵芯損耗和磁飽和區(qū)分。然而，含有多余約4％原子含量的硅的合金因其短程有序產(chǎn)生的脆性而不容易通過(guò)常規(guī)方法生產(chǎn)。特別地，用于制造常規(guī)硅-鐵的常規(guī)卷繞工藝通常無(wú)法制造優(yōu)化硅-鐵。然而，其他已知的工藝可用于生產(chǎn)優(yōu)化硅-鐵。
例如，一種合適形式的鐵-6.5硅合金由日本東京的JFE鋼鐵公司(見http://www.jfe-steel.co.jp/en/products/electrical/supercore/index.htm.)以50和100μm厚的磁性條帶提供。由Das等人在美國(guó)專利No.4,865,657中以及Tsuya等人在美國(guó)專利No.4,265,682中公開的快速固化處理得到的鐵-6.5％硅也可以使用。快速固化處理也已知用于制備Sendust以及相關(guān)鐵-硅-鋁合金。
軟磁材料的芯損耗一般可用以下修正的Steinmetz等式表示L＝a·f·Bb+c·fd·Be，其中L為損耗，單位為W/kg，f為頻率，單位為kHz，B為峰值磁通密度，單位為特斯拉，而a、b、c和d以及e均為只有軟磁材料才有的損耗系數(shù)。
上述每個(gè)損耗系數(shù)a、b、c、d和e一般可從給定的軟磁材料的制造商那里獲得。特別優(yōu)選用于本定子結(jié)構(gòu)的是由低于“L”的鐵芯損耗表征的低鐵芯損耗磁性材料，其中L由公式L＝12·f·B1.5+30·f2.3·B2.3給出，其中L為損耗，單位為W/kg，f為激勵(lì)頻率，單位為kHz，以及B為峰值磁通密度，單位為特斯拉。
轉(zhuǎn)子組件圖3顯示了本發(fā)明的電氣裝置的實(shí)施例的局部分解圖，包括后鐵16、多個(gè)定子齒部分芯12、定子繞組14、前鐵18以及多個(gè)轉(zhuǎn)子磁體20。
轉(zhuǎn)子和定子組件大致共軸。在一個(gè)方面，本發(fā)明提供了軸向氣隙無(wú)刷永磁電機(jī)，該電機(jī)包括轉(zhuǎn)子組件，該轉(zhuǎn)子組件包括多個(gè)安放在轉(zhuǎn)子組件中的磁體20。轉(zhuǎn)子組件靠近定子組件安置且共軸地安放在軸上。磁體含有交替的磁極且以大致相等的間隔沿圓周可靠地安置在定子周圍。定子磁體的不同參數(shù)如大小、位置、角度、歪斜、形狀以及類似參數(shù)經(jīng)選擇以獲得所需的性能。
本定子組件可采用任何可將磁體固定以便靠近定子組件的前鐵表面轉(zhuǎn)動(dòng)的形式。例如，定子磁體20可設(shè)置在轉(zhuǎn)子架內(nèi)或安裝在定子架上。轉(zhuǎn)子組件可包括任意數(shù)目的轉(zhuǎn)子磁體20。在一些實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子磁體延伸貫穿轉(zhuǎn)子的厚度，而在其他實(shí)施例中，它們不這樣。
磁體可間隔開來(lái)，使得交替的磁體間只有很小或沒(méi)有圓周間隙。磁體間的間隔優(yōu)選經(jīng)選擇以達(dá)到最佳值，這也使得扭矩變動(dòng)的出現(xiàn)最小。最佳間隔可由首先將定子的低損耗金屬面積除以定子槽的數(shù)目以得到每個(gè)單獨(dú)的金屬芯齒的面積來(lái)得到。磁體間的最佳間隔則是使得每個(gè)磁體的總面積等于芯齒的面積的175±20％。
雖然定子磁體20描述為永磁體，但這不是必需的。在備選實(shí)施例中，定子包括一個(gè)或多個(gè)電磁鐵，或者，定子可由軟磁材料形成，例如在本電氣裝置的感應(yīng)式電機(jī)實(shí)施例中那樣。
轉(zhuǎn)子材料任何類型的永磁體均可用于本電機(jī)中。稀土過(guò)渡金屬合金磁體如釤-鈷磁體、其他鈷-稀土磁體或稀土-過(guò)渡金屬-非金屬磁體例如NdFeB磁體尤其適合。或者，轉(zhuǎn)子磁體結(jié)構(gòu)包括任意其他燒結(jié)的、塑料粘結(jié)的或陶瓷永磁材料。磁體優(yōu)選具有高的最大BH能量積、高的矯頑力和高的飽和磁化強(qiáng)度，以及線性二象限常態(tài)退磁曲線。更為優(yōu)選使用取向和燒結(jié)的稀土-過(guò)渡金屬合金磁體，這是因?yàn)樗鼈冚^高的能量積提高了磁通量，因而提高了扭矩，同時(shí)使得昂貴的永磁材料的體積可以減到最小。
定子裝置優(yōu)選包括盤或軸向類型的轉(zhuǎn)子組件，該盤或軸向類型轉(zhuǎn)子組件包括沿圓周隔開的高能積永磁體，如稀土-過(guò)渡金屬(如SmCo)或稀土-過(guò)渡金屬-非金屬磁體(如NdFeB和NdFeCoB)，每個(gè)磁體含有限定了北極和南極的相反末端。轉(zhuǎn)子及其磁體20受支撐以便圍繞電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，例如在一根軸或其他任何適合的配置上，使得磁體的磁極可沿著臨近一個(gè)或多個(gè)定子組件和與之相關(guān)的前鐵的預(yù)定路線達(dá)到。通常該軸由用于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的任意適合類型的軸承支撐。轉(zhuǎn)子上的磁場(chǎng)具有外直徑和內(nèi)直徑。在優(yōu)選實(shí)施例中，對(duì)于軸向氣隙類型轉(zhuǎn)子，磁體20的外直徑和內(nèi)直徑與定子組件10的基本相同。如果磁體20的外直徑大于定子齒部分12的外直徑，則轉(zhuǎn)子的外部部分對(duì)性能無(wú)大的貢獻(xiàn)。如果轉(zhuǎn)子的外直徑小于定子齒部分12的外直徑，結(jié)果是電氣裝置性能的降低。在任一情況下，機(jī)器中存在的一些硬磁或軟磁材料增加了成本和重量，但沒(méi)有提升性能。一些情況下，附加的材料甚至?xí)档托阅堋?br> 定子損耗包括了前鐵的本電機(jī)的優(yōu)選實(shí)施例提供了多種有利的品質(zhì)，包括轉(zhuǎn)子組件中降低的渦旋電流和磁滯損耗，以及扭矩變動(dòng)和扭矩波紋的降低。很多情況下，這些有利之處彌補(bǔ)了成本和增加前鐵的復(fù)雜性的提高、前鐵自身的損耗以及稍稍降低的機(jī)器輸出功率。
轉(zhuǎn)子組件常常包括導(dǎo)電的材料，例如永磁體本身或轉(zhuǎn)子架。如前文所說(shuō)明，變化的磁場(chǎng)中的任何導(dǎo)體都會(huì)經(jīng)受感應(yīng)的電壓，如法拉第定律所表示。該導(dǎo)體材料中的感應(yīng)電壓產(chǎn)生了通常稱為渦旋電流的循環(huán)電流。渦旋電流在材料中產(chǎn)生的熱量由普通的表達(dá)式I2×R以電流(I)和電阻(R)的函數(shù)給出。渦旋電流在任何電氣裝置中均為多余的損耗源，這是因?yàn)樗鼈儾惶峁┯杏玫呐ぞ亍Ｒ虼耍b置設(shè)計(jì)者的一項(xiàng)目標(biāo)是渦旋電流的完全消除。
渦旋電流損耗通常隨著電相鄰的塊的大小增加而增加，且正比于材料的電導(dǎo)率。因此，渦旋電流損耗通常可通過(guò)將材料分成由不導(dǎo)電的材料隔開的疊片結(jié)構(gòu)而降低。因?yàn)檫@個(gè)原因，變壓器和旋轉(zhuǎn)機(jī)器中使用的常規(guī)軟磁材料通常形成為卷繞工藝制成的薄疊片結(jié)構(gòu)。然而，即使對(duì)于轉(zhuǎn)子構(gòu)造不是不可行或成本上不許可，永磁材料顯著不同的機(jī)械性質(zhì)也會(huì)使得疊片結(jié)構(gòu)方法更為困難。
已知的最高磁通產(chǎn)生永磁體即稀土類磁體是導(dǎo)電的，因而易于呈現(xiàn)出不希望有的高渦旋電流損耗。這些損耗理論上是變化的磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方、變化的頻率的平方以及材料的電導(dǎo)率的函數(shù)。實(shí)際上，材料的尺寸(疊片結(jié)構(gòu)的厚度和長(zhǎng)度)顯著影響阻抗。
非線性磁性材料，包括硬磁體和軟磁體在變化的磁場(chǎng)中呈現(xiàn)出一定的磁滯現(xiàn)象，這是材料的內(nèi)部磁性性質(zhì)隨外部條件的變化的反應(yīng)的滯后現(xiàn)象。該滯后可概念化為如同由內(nèi)部摩擦產(chǎn)生的一樣。由于材料中的發(fā)熱，磁滯可成為損耗的附加原因，它作為材料的內(nèi)在磁性性質(zhì)的函數(shù)而變化。
這些材料可經(jīng)受小的或“微”回路的磁滯，這些回路不覆蓋磁滯B-H曲線的所有四個(gè)象限，因而表示不是完全的反磁化。例如，在軟磁材料中這些微回路通常出現(xiàn)在B-H曲線的第一或第三象限。硬磁體，例如在本發(fā)明某些實(shí)現(xiàn)中的轉(zhuǎn)子中使用的那些，因周期性磁導(dǎo)變化而遵循第二或第四象限中的微回路，如上文所述。每個(gè)回路的面積表示因電氣裝置的磁滯損耗引起的損耗。
磁導(dǎo)系數(shù)的變化如前所述，電機(jī)的轉(zhuǎn)子幾乎總是在轉(zhuǎn)子/定子磁回路因轉(zhuǎn)動(dòng)而變化時(shí)經(jīng)受顯著的磁通密度的周期性變化。該變化可參照磁導(dǎo)系數(shù)而最佳地理解。磁導(dǎo)系數(shù)(Pc)可作為轉(zhuǎn)子、定子和氣隙傳導(dǎo)磁通量的能量的衡量。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁導(dǎo)系數(shù)在轉(zhuǎn)子磁體最緊密地與電子芯齒對(duì)齊的位置最大，而當(dāng)磁體位于齒間的中間位置時(shí)最小。轉(zhuǎn)子磁體內(nèi)部和外部的磁通密度相應(yīng)變化。正是轉(zhuǎn)子磁體內(nèi)的磁通密度的周期性變化感應(yīng)出引起發(fā)熱的渦旋電流。
渦旋電流和磁滯損耗發(fā)生時(shí)的頻率通常不在機(jī)器的預(yù)期同步頻率，該同步頻率由以下公式給出同步頻率＝速度×永磁(定子)磁極對(duì)數(shù)目。
更確切地說(shuō)，這些損耗發(fā)生在轉(zhuǎn)子磁體移動(dòng)進(jìn)入變化的磁導(dǎo)系數(shù)條件和移動(dòng)離開該條件時(shí)的頻率，該頻率由定子齒數(shù)目的函數(shù)給出轉(zhuǎn)子損耗頻率＝速度×定子齒數(shù)目。
該轉(zhuǎn)子損耗頻率比槽的每相每磁極比率為0.5的電氣裝置的同步頻率高三倍，下文將更詳細(xì)的討論。
前鐵對(duì)轉(zhuǎn)子損耗的影響為定子組件增加前鐵顯著改變了轉(zhuǎn)子在各個(gè)位置下的磁導(dǎo)系數(shù)。前鐵降低了不增加前鐵時(shí)不可避免存在的低-高-低磁通變化的幅度。前鐵有利地提供了部分“橋接”了使用軟磁材料的定子中的開口槽的低磁阻通量路徑。圖4的曲線顯示，隨著轉(zhuǎn)子中B的變化隨著前鐵厚度的增加而降低，轉(zhuǎn)子中有害的渦旋電流和磁滯損耗也隨著降低。
降低扭矩變動(dòng)和扭矩波紋可見于一些包括了前鐵的機(jī)器中的另一個(gè)有利之處是扭矩波紋和扭矩變動(dòng)的降低。機(jī)器理想在不隨轉(zhuǎn)子的角位置變化的扭矩下運(yùn)行。然而，如前所述，電機(jī)隨轉(zhuǎn)子的角度不同其轉(zhuǎn)子-定子磁回路的磁導(dǎo)率不可避免地會(huì)有一些變化。因此，同樣會(huì)不可避免地存在一些扭矩的變化。電機(jī)設(shè)計(jì)者優(yōu)選嘗試消除扭矩變化以得到扭矩基本恒定的平滑輸出。過(guò)高的扭矩波紋還會(huì)引起不期望的聽覺(jué)噪音。在電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中，通常對(duì)扭矩變動(dòng)和扭矩波紋作區(qū)分。前者是指機(jī)器沒(méi)有電流輸入/輸出時(shí)扭矩隨著轉(zhuǎn)動(dòng)位置的波動(dòng)或變化，而后者是指運(yùn)行時(shí)即在功率負(fù)載下的扭矩變化。然而，波紋和嵌齒是物理上相關(guān)的現(xiàn)象，且有時(shí)被認(rèn)為是可互換的。扭矩波紋受電氣裝置的設(shè)計(jì)和電源電子電路工作兩者的影響。扭矩變動(dòng)主要依賴于機(jī)器設(shè)計(jì)參數(shù)。然而，因?yàn)楸景l(fā)明主要與電氣裝置的設(shè)計(jì)有關(guān)，扭矩變動(dòng)和扭矩波紋可一起考慮。
增加前鐵降低了不同位置下磁導(dǎo)系數(shù)的變化，使得穿過(guò)氣隙的磁通量的絕對(duì)值更為穩(wěn)定。因此，降低了扭矩變動(dòng)。如果前鐵的厚度無(wú)限制地增加，則扭矩變動(dòng)趨近于零。
扭矩變動(dòng)受磁導(dǎo)系數(shù)變化的影響。如高斯定律所推斷，在任意給定的時(shí)間的情況下，穿過(guò)氣隙的凈磁場(chǎng)強(qiáng)度為零。然而，在某些轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子位置下的磁導(dǎo)系數(shù)高于其他位置下的磁導(dǎo)系數(shù)。在這些位置下，磁通量的絕對(duì)值大于磁導(dǎo)系數(shù)較低處的位置。將轉(zhuǎn)子從高Pc位置移動(dòng)到低Pc位置會(huì)產(chǎn)生扭矩。例如，在SPP值為0.5的裝置中，對(duì)于每個(gè)轉(zhuǎn)子磁極對(duì)存在六個(gè)高傳導(dǎo)率位置。扭矩變動(dòng)可觀察為轉(zhuǎn)子從一個(gè)高磁導(dǎo)系數(shù)位置“跳”到下一個(gè)高磁導(dǎo)系數(shù)位置的結(jié)果。
前鐵對(duì)性能和損耗的影響增加前鐵因附加材料的使用和額外的處理步驟而增加了裝置的成本，但該成本通常可由電氣裝置性能上的許多增加來(lái)補(bǔ)償。
任何機(jī)器的輸出都極大地依賴于氣隙中磁通量的相互作用。出乎意料地是，厚度經(jīng)恰當(dāng)選擇的前鐵的使用實(shí)際上相對(duì)于無(wú)前鐵的情況下增加了定子芯中的磁通量。定子芯中磁通量的增加有利地增加了電氣裝置的輸出。然而，該增加很小，且通常出現(xiàn)在前鐵厚度在0.25mm量級(jí)或更小時(shí)，如圖5所示。過(guò)厚的前鐵降低了到達(dá)氣隙的定子繞組中流動(dòng)的電流產(chǎn)生的定子磁通量，這是因?yàn)榍拌F可導(dǎo)致來(lái)自一個(gè)定子芯(包括齒)的磁通“旁路”至一個(gè)相鄰定子芯或齒上。因此，前鐵厚度的優(yōu)化必須考慮對(duì)裝置輸出的影響。
前鐵自身經(jīng)受變化的磁通，引起了渦旋和磁滯損耗。這些可通過(guò)選擇低損耗材料并適當(dāng)優(yōu)化前鐵厚度顯著地降低。增加前鐵還導(dǎo)致了定子芯中的磁通密度更高，而不產(chǎn)生更高的扭矩輸出。鐵芯結(jié)構(gòu)中更高的磁通密度將不可避免地在鐵芯中產(chǎn)生更高的損耗，如圖6所示。多數(shù)情況下，定子中增加的損耗大于降低轉(zhuǎn)子磁體中的損耗的補(bǔ)償。因此，定子損耗優(yōu)選在優(yōu)化前鐵厚度時(shí)考慮，使得機(jī)器的總體性能得以提高。
采用低損耗材料的高磁極數(shù)、高頻率設(shè)計(jì)本結(jié)構(gòu)和方法可應(yīng)用于磁極數(shù)目自低到高不等的電氣裝置。然而，包括前鐵的有利之處尤其在一些實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)了，在這些實(shí)施例中定子中低損耗材料的使用使得工作在高頻的高磁極數(shù)電氣裝置的設(shè)計(jì)成為可能。在特定實(shí)施例中，本發(fā)明提供了高磁極數(shù)的軸向氣隙電氣裝置，該機(jī)器可工作在高頻，即高于約400Hz的轉(zhuǎn)換頻率。一些情況下，裝置可工作在從約500Hz到3kHz或更高的轉(zhuǎn)換頻率下。設(shè)計(jì)者通常避免了高磁極數(shù)的高速電機(jī)設(shè)計(jì)，這是因?yàn)槌Ｒ?guī)定子芯材料例如硅-鐵無(wú)法工作在高磁極數(shù)相應(yīng)所需的高頻率下。特別地，已知采用硅-鐵的裝置由于材料內(nèi)變化的磁通量產(chǎn)生的鐵芯損耗而在顯著高于約400Hz的頻率時(shí)無(wú)法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。高于該極限時(shí)，鐵芯損耗使得材料發(fā)熱至裝置無(wú)法通過(guò)任何可接受的方法冷卻的程度。在某些情況下，硅-鐵材料的發(fā)熱甚至嚴(yán)重到機(jī)器無(wú)論如何也無(wú)法冷卻，并導(dǎo)致自毀。然而，已經(jīng)確定合適的非晶、納米晶和優(yōu)化鐵基材料的低損耗特性允許有比常規(guī)硅-鐵材料高得多得轉(zhuǎn)換速率。雖然在優(yōu)選實(shí)施例中，非晶金屬合金例如METGLAS2065SA1合金的選擇去除了高頻運(yùn)行的發(fā)熱引起的系統(tǒng)局限，轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)和整體電機(jī)結(jié)構(gòu)同樣得以改善以更好地利用非晶材料的有利性質(zhì)。
使用更高激勵(lì)頻率的能力使得本機(jī)器可設(shè)計(jì)為具有更寬廣的可能的磁極數(shù)范圍。本裝置中的磁極的數(shù)目是基于允許的機(jī)器尺寸(物理約束)和預(yù)期性能范圍的變量。如果允許的激勵(lì)頻率限制許可，磁極的數(shù)目可提高至磁通量泄漏增加至不期望的值，或性能開始降低。前鐵的使用同樣有助于使泄漏最小。
因?yàn)槎ㄗ硬郾仨毰c轉(zhuǎn)子磁體一致，還存在由定子構(gòu)造施加在轉(zhuǎn)子磁極數(shù)目上的機(jī)械限制。機(jī)械和電磁約束共同限制了定子中可制造的槽的數(shù)目。這些影響又部分地是機(jī)器結(jié)構(gòu)尺寸的函數(shù)。對(duì)于給定的提供了恰當(dāng)?shù)你~和軟磁材料平衡的結(jié)構(gòu)，可設(shè)定一些界限以確定槽數(shù)目的上限。平衡的調(diào)節(jié)可用作制造性能良好的軸向氣隙機(jī)器的參數(shù)。本發(fā)明提供了磁極數(shù)最佳為現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器通常具有的磁極的數(shù)目約4倍或5倍的電機(jī)。
作為一個(gè)例子，對(duì)于典型具有6個(gè)至8個(gè)磁極且工作在約800至3600rpm速度下的電機(jī)，轉(zhuǎn)換頻率約為100至400Hz。轉(zhuǎn)換頻率(CF)為旋轉(zhuǎn)速度乘以磁極對(duì)數(shù)，其中磁極對(duì)為磁極數(shù)除以2，旋轉(zhuǎn)速度的單位是轉(zhuǎn)/每秒(CF＝rpm/60×磁極/2)。工業(yè)中還可獲得帶有16個(gè)或更多磁極但速度小于1000rpm即仍對(duì)應(yīng)于小于400Hz頻率的裝置。或者，也可獲得具有相對(duì)較低磁極數(shù)目(如小于6個(gè)磁極)而速度可達(dá)30000rpm的電機(jī)，其轉(zhuǎn)換頻率仍小于約400Hz。在代表性的實(shí)施例中，本發(fā)明提供了具有有96磁極、1000Hz下為1250rpm電機(jī)；54磁極、1080Hz下為3600rpm的電機(jī)；4磁極、1000Hz下為30000rpm的電機(jī)；以及2磁極、1000Hz下為60000rpm的電機(jī)。本發(fā)明的高頻機(jī)器可工作在高于已知用常規(guī)材料和設(shè)計(jì)制造的軸向氣隙電機(jī)約4至5倍的頻率下。當(dāng)工作在相同頻率范圍內(nèi)時(shí)，該提供的機(jī)器通常比工業(yè)中典型的電機(jī)效率更高，因而提供了更好的速度選擇。本配置對(duì)于具有非常寬的頻率、功率和額定扭矩范圍的電機(jī)構(gòu)造尤為適合，某種意義上結(jié)合了高能量效率、高功率密度、組裝的便捷以及昂貴的軟磁和硬磁材料的有效使用。
熱性質(zhì)和效率限制了各種電機(jī)包括那些使用常規(guī)硅-鐵合金和使用非晶、納米晶、優(yōu)化硅-鐵合金、晶粒取向鐵基或非晶粒取向鐵基金屬的電機(jī)中可獲得的裝置輸出效率的一種特性是能量轉(zhuǎn)化為無(wú)用發(fā)熱的損耗。此無(wú)用發(fā)熱有多種來(lái)源，但主要來(lái)自于歐姆損耗、外殼和繞組中的鄰近效應(yīng)損耗、磁體和其他轉(zhuǎn)子部件中的渦旋電流引起的轉(zhuǎn)子損耗以及源于定子芯的芯損耗。常規(guī)機(jī)器的“連續(xù)功率極限”通常由機(jī)器可連續(xù)工作但仍散發(fā)足夠的無(wú)用熱量以防止溫度無(wú)法接受地升高時(shí)的最大速度決定。該連續(xù)功率極限是電流的函數(shù)。
在可最優(yōu)地應(yīng)用于本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用中的高頻、高磁極數(shù)電氣裝置中，因?yàn)榉蔷А⒓{米晶以及優(yōu)化鐵基金屬合金的損耗比常規(guī)硅-鐵的損耗低，因而產(chǎn)生了較少的無(wú)用熱量。設(shè)計(jì)者可通過(guò)提高頻率、速度和功率并正確地平衡和“折衷”低芯損耗與歐姆損耗的比例以利用這些材料的低損耗特性。總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于與常規(guī)機(jī)器相同的功率，可最優(yōu)地應(yīng)用于本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用中的高頻、高磁極數(shù)電氣裝置呈現(xiàn)出較低的損耗，于是有更高的扭矩和速度，因而可獲得較常規(guī)機(jī)器更高的連續(xù)功率極限。
本發(fā)明的一個(gè)方面的實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)選的機(jī)器的一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是使裝置的效率最大而同時(shí)保持成本效能的能力。習(xí)慣上，裝置效率定義為有用功率輸出除以功率輸入。可最優(yōu)地應(yīng)用于本發(fā)明的高頻、高磁極數(shù)電氣裝置同時(shí)具有高的磁極數(shù)且工作在更高的轉(zhuǎn)換頻率下，使得具有低芯損耗和高功率密度的裝置效率更高。它們超過(guò)了400Hz的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)高頻極限，此前即使存在實(shí)際應(yīng)用，也幾乎沒(méi)有高于此極限的。
可應(yīng)用于本發(fā)明的優(yōu)選高頻、高磁極數(shù)電氣裝置的性能和提高的效率并不簡(jiǎn)單是將常規(guī)硅-鐵用非晶金屬代換的固有特點(diǎn)。已提出了多種設(shè)計(jì)，但它們遇到了性能失效(包括過(guò)熱和較低的輸出功率)的問(wèn)題。該失效被認(rèn)為主要是源于僅僅采用為常規(guī)材料(硅重量成分為3.5％或更少的硅-鐵)設(shè)計(jì)并適合于常規(guī)材料的方式應(yīng)用新材料(例如非晶金屬)和生產(chǎn)方法。早期的性能失效，加上意識(shí)到的將非晶金屬加工成電機(jī)的成本，使得工業(yè)上放棄了研發(fā)努力。
可最優(yōu)地應(yīng)用于本發(fā)明中的高頻、高磁極數(shù)電氣裝置通過(guò)利用了非晶、納米晶、優(yōu)化硅-鐵合金、晶粒取向鐵基或非晶粒取向鐵基材料性質(zhì)的旋轉(zhuǎn)電氣裝置設(shè)計(jì)克服了先前技術(shù)的性能失效。還提供了與各種改進(jìn)材料的物理和機(jī)械特性相容的構(gòu)造方法。這些設(shè)計(jì)和方法提供了具有各種有利性質(zhì)中的一些或全部性質(zhì)的機(jī)器，這些有利性質(zhì)包括在高磁極數(shù)目下以高效率以及高功率密度工作在高于400Hz的轉(zhuǎn)換頻率下。雖然其他常規(guī)方法可提供最多具有四種性質(zhì)中的一種或兩種的電機(jī)，這里在實(shí)施例中提供了同時(shí)呈現(xiàn)出一些或優(yōu)選全部四種性質(zhì)的高頻率、高磁極數(shù)的電氣裝置。與那些在‘094應(yīng)用中提供的機(jī)器相比，本機(jī)器提供了另一種可降低電機(jī)中的損耗的機(jī)制，也即是在定子組件中使用前鐵。
在很多實(shí)施例中，本高頻、高磁極數(shù)電機(jī)有利地顯示出了高效率。對(duì)于改善的主要貢獻(xiàn)源于磁滯損耗的顯著降低。如技術(shù)中已知，磁滯損耗源于所有軟磁材料的磁化過(guò)程中的受阻疇壁運(yùn)動(dòng)。這些損耗通常在常規(guī)使用的磁性材料如常規(guī)晶粒取向硅-鐵合金和非取向電機(jī)和電力鋼材中比在本機(jī)器中優(yōu)選采用的改良材料中高。高損耗又可增加鐵芯的過(guò)熱。由于效率的提高，可最優(yōu)地應(yīng)用于本發(fā)明中的高頻、高磁極數(shù)電氣裝置可獲得更寬的連續(xù)速度范圍。常規(guī)電機(jī)存在局限，它們?cè)诟咚俣确秶?低功率)下提供低扭矩，或在低速度范圍下提供高扭矩。可最優(yōu)地應(yīng)用于本發(fā)明中的高頻、高磁極數(shù)電氣裝置成功地提供了在高速度范圍下具有高扭矩的電氣裝置。
槽每相每磁極比率電機(jī)的槽每相每磁極(SPP)值由將定子槽的數(shù)目除以定子繞組中的相數(shù)目和DC磁極的數(shù)目確定(SPP＝槽/相/磁極)。在本說(shuō)明中，磁極指不隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)，這里也稱為DC場(chǎng)，該場(chǎng)與變化的磁場(chǎng)即大小和方向均隨時(shí)間和位置變化的磁場(chǎng)相互作用。在優(yōu)選實(shí)施例中，固定在定子上的永磁體提供DC磁場(chǎng)，因而提供了一定數(shù)目的不隨時(shí)間變化磁極，這里稱為DC磁極。在其他實(shí)施例中，DC電磁鐵可提供轉(zhuǎn)子DC場(chǎng)。定子繞組的電磁鐵提供變化的磁場(chǎng)。槽指本機(jī)器定子交替齒間的間隔。本發(fā)明的技術(shù)可應(yīng)用于任意SPP值的電氣裝置。有利地是，本發(fā)明的設(shè)計(jì)為最佳SPP比率的選取提供了相當(dāng)?shù)撵`活性。
常規(guī)機(jī)器通常設(shè)計(jì)成具有1至3的SPP比率以獲得滿意的功能性和噪音水平，且因更好的繞組分布而提供更平滑的輸出。然而，已尋求較低如0.5的SPP值的設(shè)計(jì)以減小末端線匝效應(yīng)。末端線匝是定子繞組中連接槽間的繞組的導(dǎo)線部分。雖然這些連接當(dāng)然是必需的，末端線匝對(duì)機(jī)器的扭矩和功率輸出沒(méi)有貢獻(xiàn)。在這種意義上說(shuō)，它們是不需要的，原因是它們?cè)黾恿怂璧膶?dǎo)線的量且增加了機(jī)器的歐姆損耗而不提供益處。因此，電機(jī)設(shè)計(jì)者的一項(xiàng)目標(biāo)是使末端線匝最少并提供噪音和嵌齒可控的電機(jī)。另一方面，本電機(jī)的優(yōu)選實(shí)現(xiàn)允許降低的SPP比例，同時(shí)具有下文將詳細(xì)說(shuō)明的理想的低噪音、嵌齒和電源電子電路波紋。這種有利之處通過(guò)在高磁極和槽數(shù)目下運(yùn)行而獲得。這些選擇在先前的機(jī)器中不可變，原因是所需的轉(zhuǎn)換頻率的增加在不使用高級(jí)的低損耗定子材料時(shí)是不可接受的。
對(duì)于一些應(yīng)用，建立具有小數(shù)SPP值的電機(jī)是有利的，原因是這種電機(jī)可采用圍繞單定子齒安置的預(yù)形成線圈。在本發(fā)明的不同實(shí)施例中，SPP比率為整數(shù)比率，如0.25、0.33或0.5。SPP值為1.0甚至大于1.0也是可能的。SPP值優(yōu)選在約0.25至4.0的范圍。然而，本機(jī)器更優(yōu)選的實(shí)施例有利地設(shè)計(jì)成SPP比率為1或更小，甚至更有利地為0.5或更小。將多個(gè)槽用導(dǎo)線連接成共有的磁性部分因而提供值大于0.5的SPP是可能的。這是定子槽的數(shù)目大于轉(zhuǎn)子磁極數(shù)目的結(jié)果，導(dǎo)致了分布式的繞組。小于或等于0.5的SPP值表明沒(méi)有分布式繞組。工業(yè)中的習(xí)慣是在定子中包括分布式繞組。通常，先前技術(shù)中設(shè)計(jì)成帶有分布式繞組的機(jī)器每磁極有許多槽，造成工作頻率較低。因此，在SPP值為0.5或更少且工作在低頻的常規(guī)機(jī)器中，磁極數(shù)目同樣會(huì)較低且存在較高的難以控制的嵌齒。另一方面，本機(jī)器中高級(jí)磁性材料的使用使得轉(zhuǎn)換頻率可提高，因而可維持低SPP值，同時(shí)仍使得嵌齒最小且不降低機(jī)器的速度。然而，雖然本發(fā)明的方法可應(yīng)用于具有低于0.5(如0.25)SPP值的電氣裝置，這種配置有時(shí)因?qū)嶋H考慮因素而稍不理想，這些因素包括更高轉(zhuǎn)換頻率下所需的增加的機(jī)器阻抗、來(lái)自轉(zhuǎn)子磁體的稍升高的泄漏磁通量以及容納更小且為數(shù)眾多的轉(zhuǎn)子磁體所需的機(jī)械支持。低SPP值對(duì)于電氣裝置的其他重要參數(shù)也常常不利。
另一方面，升高SPP值顯著地增加了機(jī)器的磁極間距。例如，多個(gè)定子槽可用導(dǎo)線連接成公共的磁性部分，這對(duì)應(yīng)于大于0.5的槽每相每磁極(SPP)值。
雖然本機(jī)器可設(shè)計(jì)成或作為單相裝置或具有任意數(shù)目的相且每個(gè)定子上具有相應(yīng)數(shù)目的繞組的多相裝置使用，依照工業(yè)慣例優(yōu)選帶有三相繞組的三相機(jī)器，這是因?yàn)樗峁┝擞泊藕蛙洿挪牧系母咝Ю茫瑫r(shí)具有良好的功率密度。SPP比例為0.5的實(shí)施例特別適合于三相應(yīng)用。例如，在三相機(jī)器中，槽/磁極/相比率＝0.5時(shí)，轉(zhuǎn)子磁極的數(shù)目為定子槽數(shù)目的三分之二，而槽的數(shù)目為相數(shù)目的倍數(shù)。雖然機(jī)器通常依照工業(yè)習(xí)慣連接成三相Y形配置，也可以采用三角形配置。在本發(fā)明提供的優(yōu)選實(shí)施例中，前鐵可應(yīng)用于SPP值最優(yōu)等于0.5的電氣裝置。
布線和繞線設(shè)計(jì)的靈活性本機(jī)器某些實(shí)施例的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是采用不同的布線配置的靈活性。傳統(tǒng)的定子設(shè)計(jì)限制了繞線設(shè)計(jì)的選擇，原因是上述集中使用值為1.0至3.0的SPP比率，它需要將繞組分布在多個(gè)槽上。當(dāng)對(duì)于分布式繞組有多于兩個(gè)或三個(gè)繞線選擇的時(shí)候變得困難。本發(fā)明提供了利用SPP＝0.5的設(shè)計(jì)的能力，其中，每個(gè)定子芯(包括齒)通常只有一個(gè)分立的線圈。然而，本發(fā)明并不排斥其他SPP＝0.5的布置。單芯線圈可容易地改動(dòng)并重新連接以提供給定應(yīng)用要求的任意電壓。因此，假定SPP比率如本發(fā)明的裝置中一樣接近0.5，則定子繞組配置將有很大的靈活性。例如，制造商可單獨(dú)為每個(gè)定子繞線，或者制造商可在同一定子內(nèi)提供單獨(dú)的定子繞組。此能力是SPP等于0.5的系統(tǒng)的一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。雖然有時(shí)存在采用SPP＝0.5的工業(yè)系統(tǒng)，但它們不是很普遍且僅在很少的應(yīng)用中獲得成功。本發(fā)明成功地提供了允許此繞線靈活性的SPP等于0.5的系統(tǒng)。
因此，給定的硬件配置可簡(jiǎn)單地通過(guò)改變定子繞組或它們的互連而提供很寬范圍的解決方案。通常，繞組是電磁線路中最容易改動(dòng)的部件。顯著的實(shí)惠和簡(jiǎn)化提供給了需要更少的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的制造商、可維持更簡(jiǎn)單的存貨的分銷商和可改動(dòng)給定的機(jī)器以適應(yīng)變化的使用需求的用戶。
機(jī)器系統(tǒng)和電源電子電路控制依照又一方面，提供了一種包括了上述類型的軸向氣隙電機(jī)以及連接和控制機(jī)器的電源電子電路裝置的電動(dòng)機(jī)器系統(tǒng)。該系統(tǒng)可作為電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)或它們的結(jié)合工作。電動(dòng)機(jī)必須直接或通過(guò)DC電源的換向供給以AC電源。雖然機(jī)械換向已長(zhǎng)久地用在電刷類型的機(jī)器中，大功率半導(dǎo)體裝置的可用性使得用于許多現(xiàn)代永磁電機(jī)的無(wú)刷電子換向裝置的設(shè)計(jì)成為可能。在發(fā)電模式下，機(jī)器(除非采用機(jī)械換向)固有產(chǎn)生交流電。大部分機(jī)器說(shuō)明同步工作，這表示交流輸入或輸出功率的頻率與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和磁極數(shù)目成正比。因而直接連接到電力線路上的同步電機(jī)工作在特定的速度，而變化可以通過(guò)改變磁極數(shù)目實(shí)現(xiàn)，電網(wǎng)有例如電力工業(yè)常使用的50或60Hz線路或通常在船舶和航空系統(tǒng)中使用的400Hz線路。對(duì)于同步發(fā)電，原動(dòng)力的旋轉(zhuǎn)頻率必須受控制以提供穩(wěn)定的頻率。一些情況下，原動(dòng)力固有產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)頻率過(guò)高或過(guò)低，使得對(duì)于已知的機(jī)器設(shè)計(jì)，磁極數(shù)目在實(shí)際界限內(nèi)的電機(jī)無(wú)法適應(yīng)。在這種情況下，旋轉(zhuǎn)的機(jī)器不能直接連接至機(jī)械軸，因此通常必須采用變速箱，盡管此附屬物增加了復(fù)雜性和效率上的損失。例如，風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)如此之慢，以致在常規(guī)電機(jī)中將需要過(guò)高的磁極數(shù)目。另一方面，為了以要求的機(jī)械效率正常運(yùn)行，典型的燃?xì)鉁u輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)如此至快，以致磁極數(shù)目很低時(shí)產(chǎn)生的頻率仍不可接受地高。電動(dòng)和發(fā)電應(yīng)用的備選方案是主動(dòng)電源轉(zhuǎn)換。本包括了帶有前鐵的定子組件的電機(jī)的實(shí)施例有利地與主動(dòng)電源轉(zhuǎn)換一起使用，特別是在與寬范圍和/或不同的電源需求有關(guān)的應(yīng)用中。
如本文所使用，術(shù)語(yǔ)“電源電子電路”理解為表示適合于將作為直流電(DC)或具有特定頻率和波形的交流電(AC)供給的電力轉(zhuǎn)換為DC或AC的電力輸出的電子電路，輸出和輸入在電壓、頻率和波形上至少有一方面不同。這種轉(zhuǎn)換由電源電子電路轉(zhuǎn)換線路完成。對(duì)于除了使用普通的保持頻率的變壓器對(duì)AC電源進(jìn)行簡(jiǎn)單的電壓變換，以及將AC進(jìn)行簡(jiǎn)單的橋式整流以提供DC之外的轉(zhuǎn)換，現(xiàn)代的電源轉(zhuǎn)換通常采用非線性半導(dǎo)體器件和其他提供主動(dòng)控制的相關(guān)元件。
如上文更詳細(xì)地討論的那樣，依照本發(fā)明構(gòu)建的機(jī)器可在比常規(guī)裝置寬的多的轉(zhuǎn)動(dòng)速度范圍內(nèi)作為電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)工作。許多情況下，此前電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)應(yīng)用中均需要的變速箱可以去除。然而，得到的有利之處通常同樣要求使用電源電子電路，與常規(guī)機(jī)器中采用的電路相比，該電源電子電路可工作在的更寬電子頻率范圍的。
對(duì)于電動(dòng)機(jī)器系統(tǒng)的電動(dòng)應(yīng)用，機(jī)器被連接至電源，例如電力線路、電化學(xué)電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池或其他任何適合的電能源。任何必要類型的機(jī)械負(fù)載可連接在機(jī)器軸上。在發(fā)電模式下，機(jī)器軸機(jī)械地連接在原動(dòng)力上且系統(tǒng)連接在電負(fù)載上，該負(fù)載可包括任何形式的電器或電能儲(chǔ)存器。該機(jī)械系統(tǒng)也可作為再生式電動(dòng)系統(tǒng)使用，例如作為連接在車輛驅(qū)動(dòng)輪上的系統(tǒng)，交替為車輛提供機(jī)械推動(dòng)力和將車輛的動(dòng)能重新轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存在電池中以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。
在本軸向氣隙機(jī)械系統(tǒng)中有用的電源電子電路裝置通常必須包括具有足夠動(dòng)態(tài)范圍的主動(dòng)控制，以適應(yīng)機(jī)械和電子負(fù)載的預(yù)期變化，同時(shí)保持良好的機(jī)電運(yùn)行、調(diào)整和控制。該裝置必須在前述每次旋轉(zhuǎn)過(guò)程中變化的磁導(dǎo)引起的相位阻抗的范圍內(nèi)良好工作。任何形式的電源轉(zhuǎn)換布局均可使用，包括采用升壓、補(bǔ)償和回掃轉(zhuǎn)換器以及脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)穩(wěn)壓器。電壓和電流的相位優(yōu)選均可獨(dú)立控制，且電源電子電路的控制可在有或沒(méi)有直接的軸位置傳感時(shí)工作。此外，優(yōu)選提供四象限控制，使得機(jī)器可順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)且可按照電動(dòng)或發(fā)電模式運(yùn)行。優(yōu)選同時(shí)包括電流環(huán)和速度環(huán)控制電路，其中扭矩模式和速度模式控制均可采用。為了運(yùn)行的穩(wěn)定，電源電子電路裝置必須優(yōu)選具有預(yù)期轉(zhuǎn)換頻率的約10倍的控制環(huán)頻率范圍。對(duì)于本系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)機(jī)器運(yùn)行達(dá)到約2kHz的轉(zhuǎn)換頻率則需要至少約20kHz的控制環(huán)頻率范圍。電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)方式中使用的控制器通常采用IGBT半導(dǎo)體開關(guān)元件。這些器件呈現(xiàn)出隨頻率升高的開關(guān)損耗，因而通常優(yōu)選工作在最高約1000Hz的轉(zhuǎn)換頻率下。電機(jī)系統(tǒng)因而優(yōu)選有利地設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)換頻率在從約600至1000Hz的范圍，使得較便宜的IGBT可以使用，同時(shí)保留了因低損耗材料的使用而得以實(shí)現(xiàn)的更高的工作頻率帶來(lái)的有利之處(如提高的功率密度)。對(duì)于發(fā)電應(yīng)用，合適的整流橋甚至允許在更高的轉(zhuǎn)換頻率下運(yùn)行。
提供了以下實(shí)例以更完全地描述本發(fā)明。列出以說(shuō)明發(fā)明的原理與實(shí)施方法的具體技術(shù)、條件、材料、比例和報(bào)告資料僅為示例，而不應(yīng)被認(rèn)作限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)例
15kRPM電氣裝置的優(yōu)化前鐵厚度對(duì)低磁極數(shù)目、高頻率、15kRPM電氣裝置進(jìn)行了優(yōu)化前鐵厚度分析，該裝置符合以下規(guī)格

該機(jī)器包括一個(gè)定子和一個(gè)轉(zhuǎn)子，為作為15kRPM的主動(dòng)整流式發(fā)電機(jī)工作的低磁極數(shù)、高頻率、三相電氣裝置。前鐵由卷成環(huán)形的METGALS 2605SA1非晶金屬構(gòu)成。對(duì)帶有厚度自1.9至6.4mm不等的前鐵的類似100kW功率輸出電氣裝置重復(fù)進(jìn)行該分析，并與不帶有這種前鐵的裝置的特性進(jìn)行比較。轉(zhuǎn)子由高能量積FeNdB永磁磁體制成，所述永磁磁體安置在使損耗降低的不導(dǎo)電化合物制成的架子中。
如圖7所示，預(yù)期的線EMF隨著前鐵的附加急劇下降。這被認(rèn)為是較薄的前鐵飽和的結(jié)果。當(dāng)前鐵厚度增加至4mm，線EMF達(dá)到相當(dāng)高的300V最佳值。
圖7還表明電感常數(shù)(KI)隨著前鐵厚度的增加而不斷增加。這被認(rèn)為是前鐵提供的磁通路線將定子相繞組連接在一起的結(jié)果。作為比較，對(duì)于該通量不帶有前鐵的裝置的“開放末端”構(gòu)造提供了更高的磁阻。電感為電磁分析軟件對(duì)負(fù)載(扭矩)下的裝置計(jì)算的平均電感。電感常數(shù)在有前鐵的情況下作為施加的電流的函數(shù)變化。
引入前鐵的一個(gè)重要?jiǎng)訖C(jī)是降低裝置的總損耗。圖8示出了裝置的損耗和損耗密度作為前鐵厚度的函數(shù)的曲線。意外的是，裝置的總損耗可降低至起初的40％，主要是因?yàn)闇u旋電流引起的轉(zhuǎn)子磁體中的損耗的降低。這繼而降低了機(jī)器的總無(wú)用損耗密度(W/cm2)，因而升高了有用功率、扭矩和速度，而機(jī)器的大小不需要有任何增加。盡管有附加的前鐵損耗和增加的軸向長(zhǎng)度因而增加的表面積的影響，引入前鐵仍可獲得較低的損耗，這些因素包括在損耗評(píng)估內(nèi)。隨著EFM的改變，對(duì)于100kW的恒定功率，電流也將變化，繼而使得歐姆損耗變化。
圖9表明功率因子隨著前鐵厚度升高而降低，原因是電感的增加，這是增加前鐵的不利結(jié)果。然而，效率因磁體渦旋電流損耗中的降低而顯著提高。圖10表明，當(dāng)前鐵厚度增加時(shí)扭矩變動(dòng)減小。然而，扭矩波紋隨著前鐵厚度的增加而存在增加。這些因素優(yōu)選在優(yōu)化前鐵厚度和裝置性能時(shí)加以考慮。
對(duì)于低磁極數(shù)、高頻率、15kRPM的電氣裝置，發(fā)現(xiàn)最佳前鐵厚度落在4-5mm的范圍。前鐵的增加使得轉(zhuǎn)子發(fā)熱更低，將發(fā)熱從高達(dá)約16kW降低至約2kW。前鐵的增加還使得效率更高。4mm厚的前鐵用現(xiàn)有工藝很容易生產(chǎn)。
以上以相當(dāng)完整的細(xì)節(jié)對(duì)本發(fā)明作出了說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解不需要遵循這些細(xì)節(jié)，而熟練的技術(shù)人員可想到各種變化和改進(jìn)。例如，雖然本文大體說(shuō)明了軸向氣隙電機(jī)，但也可依照本文公開的原理設(shè)計(jì)其他類型的電機(jī)，例如徑向氣隙電機(jī)或線性機(jī)器。此外，電機(jī)可包括除永磁機(jī)器以外的多種類型的電機(jī)，例如感應(yīng)機(jī)器、同步機(jī)器、同步磁阻機(jī)器、開關(guān)磁阻機(jī)器以及dc電磁機(jī)器。此外，其他類型的轉(zhuǎn)子和/或定子繞線方案也在本發(fā)明的范圍以內(nèi)。這些改進(jìn)也相應(yīng)被認(rèn)為包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)，如附加的權(quán)利要求所限定的。
權(quán)利要求
1.電動(dòng)機(jī)器，包括(a)至少一個(gè)定子組件，該定子組件包括后鐵部分和多個(gè)齒部分，所述定子組件具有位于每相鄰的一對(duì)所述齒部分之間的槽和繞在所述槽中的定子繞組；(b)前鐵部分；以及(c)至少一個(gè)轉(zhuǎn)子組件，該組件受支撐以圍繞軸旋轉(zhuǎn)，且包括多個(gè)磁極，所述轉(zhuǎn)子組件被布置和安放以便與所述至少一個(gè)定子組件發(fā)生磁性相互作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)器，其特征在于，所述機(jī)器為軸向氣隙裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)器，其特征在于，所述機(jī)器為徑向氣隙裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)器，其特征在于，所述前鐵部分為所述定子組件的一部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的機(jī)器，其特征在于，所述后鐵部分、所述多個(gè)齒部分以及所述前鐵部分中的至少一個(gè)由至少一種從非晶金屬、納米晶金屬和優(yōu)化鐵基金屬合金構(gòu)成的集合中選出的低鐵芯損耗磁性材料構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的機(jī)器，其特征在于，當(dāng)在峰值電感水平“Bmax”以激勵(lì)頻率“f”工作時(shí)，所述低鐵芯損耗磁性材料由小于“L”的鐵芯損耗表征，其中，L由公式L＝12·f·B1.5+30·f2.3·B2.3給出，鐵芯損耗、激勵(lì)頻率和峰值電感水平分別用瓦特/每千克、千赫茲和特斯拉計(jì)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的機(jī)器，其特征在于，所述前鐵部分和所述后鐵部分中的至少一個(gè)形成為包括所述齒部分的單一結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子組件包括具有多個(gè)轉(zhuǎn)子永磁體的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子永磁體以交替極性安放并圍繞所述轉(zhuǎn)子以大致相等的間隔沿圓周可靠地定位。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的機(jī)器，其特征在于，所述磁體為SmCo或FeNdB磁體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)器，其特征在于，槽每相每磁極比率的范圍為約0.25至1。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的機(jī)器，其特征在于，槽每相每磁極比率為0.50。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)器，其特征在于，其具有至少16個(gè)磁極。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)器，其特征在于，其適合于以自500Hz至3kHz范圍的轉(zhuǎn)換頻率運(yùn)行。
14.根據(jù)權(quán)利要求2的機(jī)器，其特征在于，其包括兩個(gè)定子組件和安放其間的轉(zhuǎn)子組件。
15.構(gòu)造電動(dòng)機(jī)器的方法，包括(a)提供至少一個(gè)包括后鐵部分和多個(gè)齒部分的定子組件，所述定子組件具有位于每對(duì)相鄰的所述齒部分間的槽和繞在所述槽中的定子繞組；(b)提供前鐵部分；以及(c)提供至少一個(gè)受支撐以圍繞軸旋轉(zhuǎn)且包括多個(gè)磁極的轉(zhuǎn)子組件，所述轉(zhuǎn)子組件被布置和安放成與所述至少一個(gè)定子組件發(fā)生磁性相互作用。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其特征在于，所述后鐵部分、所述多個(gè)齒部分以及所述前鐵部分中的至少一個(gè)由至少一種從非晶金屬、納米晶金屬和優(yōu)化鐵基金屬合金構(gòu)成的集合中選出的低鐵芯損耗磁性材料構(gòu)成。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其特征在于，所述前鐵部分和所述后鐵部分中的至少一個(gè)形成為包括所述齒部分的單一結(jié)構(gòu)，所述單一結(jié)構(gòu)由包括以下步驟的過(guò)程形成(a)螺旋地纏繞所述低鐵芯損耗磁性材料的疊片層的環(huán)形圈，所述環(huán)形圈具有內(nèi)直徑、外直徑以及環(huán)形圈高度；以及(b)切割多個(gè)基本沿著徑向方向且從所述內(nèi)直徑延伸至所述外直徑的槽，且槽的深度小于所述環(huán)形圈高度。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其特征在于，所述前鐵部分通過(guò)螺旋地纏繞所述低鐵芯損耗磁性材料的疊片層的環(huán)形圖形成。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的電動(dòng)機(jī)器，其特征在于，還包括連接和控制機(jī)器并可操作地連接在其上的電源電子電路裝置。
全文摘要
一種轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)器，例如電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)或再生式電機(jī)，包括定子組件，該定子組件包括后鐵部分、多個(gè)定子齒部分以及前鐵。該電動(dòng)機(jī)器具有軸向氣隙構(gòu)造。此外，該電機(jī)具有可以以高效率、高功率密度和降低的轉(zhuǎn)子發(fā)熱工作在高轉(zhuǎn)換頻率下的高磁極數(shù)。該電動(dòng)機(jī)器中采用的低損耗材料包括非晶金屬、納米晶金屬、優(yōu)化鐵基合金以及優(yōu)化晶粒取向鐵基材料或非晶粒取向鐵基材料。
文檔編號(hào)H02K1/02GK1973417SQ200480035477
公開日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2004年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月6日
發(fā)明者B·C·西蒙斯, A·D·希策爾 申請(qǐng)人:萊特工程公司