專利名稱：利用低損耗材料的高效高速電氣裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能夠工作在高換接頻率的高效率和高功率密度的電氣裝置。
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般地涉及電氣裝置，它包括，但不限于電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、再生式電動(dòng)機(jī)(在此處集體地稱作″電氣裝置″、″電磁裝置″、″電機(jī)″等)。術(shù)語再生式電動(dòng)機(jī)在這里用來指一種或者可以作為電動(dòng)機(jī)工作，或者作為發(fā)電機(jī)工作的裝置。所述電氣裝置可以是組合裝置的一個(gè)或多個(gè)部件。這樣一種組合裝置的一個(gè)示例是壓縮機(jī)，它包括一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)機(jī)，其中所述一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)機(jī)與通風(fēng)機(jī)構(gòu)成整體。本發(fā)明優(yōu)先地涉及具有改善了的特性的高效電氣裝置。本發(fā)明更優(yōu)先地涉及能夠工作在高頻率下的高效電氣裝置。
高頻電氣裝置電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)工業(yè)不斷尋找提供效率高和功率密度高的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。電磁裝置的功率與所述裝置的頻率有關(guān)，使得所述裝置的功率隨著頻率增大而增大。于是，當(dāng)要求增大的功率時(shí)，就希望有一些頻率較高的電機(jī)。同步電機(jī)的同步頻率一般地可以表達(dá)為f＝S-P/2，式中f是電機(jī)的頻率(Hz)，S是速度(轉(zhuǎn)/秒)，而P是所述電機(jī)的極數(shù)。由此可見，隨著電機(jī)的速度提高，頻率提高，功率增大。類似地，隨著極數(shù)增大，電機(jī)的頻率提高，電機(jī)的功率增大。但是，指出以下一點(diǎn)很重要隨著極數(shù)增加，電機(jī)磁場的變化增大，在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生附加的熱量，由此造成電機(jī)效率低下。
過去制造高頻電機(jī)(頻率大于300Hz的電機(jī))的嘗試一般都涉及高速下低極數(shù)，因?yàn)檩^低的極數(shù)一般地有助于減少磁芯損失，而極數(shù)較高一般地使磁芯損失增大。但是，在傳統(tǒng)的較高極數(shù)的電機(jī)上看到的重大的磁芯損失主要是由于絕大多數(shù)舊電機(jī)中用的材料，傳統(tǒng)上是含硅約為31/2％(按重量計(jì))或者更少的硅鐵合金(Si-Fe)。具體地說，在傳統(tǒng)的基于Si-Fe材料中，在大于約300Hz的頻率下，變化的磁場造成的損失，把材料加熱到任何可以接受的裝置都無法冷卻所述裝置的程度。因此，一直難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)上有生命力的高頻電機(jī)，因此最好能產(chǎn)生一種商業(yè)上有生命力的高頻電機(jī)。最好還提供一種能夠同時(shí)運(yùn)行在高頻下、極數(shù)高的電氣裝置，結(jié)果得出一種磁芯磁損失低的和功率密度高的效能價(jià)格合算效能價(jià)格合算的電氣裝置。
非晶金屬磁芯非晶金屬的出現(xiàn)和后來的研究使許多人相信，用非晶金屬磁芯做的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)具有提供一種比傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)高得多的效率和功率密度的潛力。具體地說，非晶金屬呈現(xiàn)有希望的低損耗特性，使許多人相信用非晶金屬磁芯做的定子，會(huì)得出效率更高的電機(jī)。但是，以前的把非晶材料包括入傳統(tǒng)的電機(jī)的嘗試都失敗了，因?yàn)檫@些嘗試只是簡單地涉及在頻率較低的電機(jī)中用非晶材料替換傳統(tǒng)的磁芯中的硅鐵。這使電機(jī)效率提高，損失減少，但是伴隨著隨后的功率輸出方面的損失以及與處理和形成非晶材料相聯(lián)系的造價(jià)的顯著提高。
例如，美國專利No.4,578,610公開了一種高效電動(dòng)機(jī)，其定子通過簡單地纏繞非晶金屬帶而構(gòu)造，其中纏繞所述非晶金屬帶條，然后形成槽溝，并把相配的定子繞組設(shè)置在所述槽溝內(nèi)。
美國專利No.4,187,441公開一種功率密度高的電機(jī)，它具有用非晶金屬帶做成的螺旋形纏繞的層疊磁芯，具有槽溝用來接納定子繞組。所述專利還公開利用激光束切割所述非晶磁芯中的槽溝。
盡管圍繞非晶金屬在電機(jī)的使用進(jìn)行重大的研究，但至今已經(jīng)證實(shí)，要效能價(jià)格合算地提供一種容易制造的利用低損失材料的電氣裝置是非常困難的，因而許多人放棄了開發(fā)一種商業(yè)上有生命力的具有非晶金屬磁芯的電機(jī)的嘗試。因此，最好提供一種高效電氣裝置，它具有與低損失耗材料相聯(lián)系的特定特性的全部優(yōu)點(diǎn)，從而消除與先有技術(shù)相聯(lián)系的缺點(diǎn)。最好，所述低損耗材料是一種非晶金屬、毫微晶金屬、優(yōu)化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料或者非晶粒定向的基于Fe的材料。
發(fā)明概要本文公開的電磁裝置包括諸如轉(zhuǎn)子的磁場組件以及定子組件。所述定子組件具有用低損耗高頻材料制成的磁芯材料。最好定子的磁芯用非晶金屬、毫微晶金屬、優(yōu)化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料或者非晶粒定向的基于Fe的材料制成。非晶金屬、毫微晶金屬、優(yōu)化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料或者非晶粒定向的基于Fe的材料引入電氣裝置使所述裝置的頻率能提高到300Hz以上，同時(shí)磁芯損失只相對小量地增大(與傳統(tǒng)電機(jī)中所呈現(xiàn)的顯著增大相比)，因此，得到一種能夠提供增大功率的高效電氣裝置的收益。本發(fā)明提供一種極數(shù)高的能夠提供增強(qiáng)的功率密度、改善的效率和更正方形的轉(zhuǎn)矩-速度曲線的高效電氣裝置。
公開了一種軸向氣隙電磁裝置，它包括包含具有若干槽溝的整體磁芯的至少一個(gè)定子組件，。定子繞組纏繞所述槽溝。所述整體磁芯由低損耗軟磁材料制成，所述軟磁材料的特征在于磁芯損失小于″L″，式中L由下式給出L＝12·f·B1.5+30·f2.3·B2.3，式中L是以W/kg為單位的損耗，f是以KHz為單位的頻率，而B是峰值磁通密度(特斯拉)。適用于磁芯的低損耗軟磁材料的示例包括非晶金屬、毫微晶金屬和優(yōu)化的Si-Fe合金。所述電磁裝置還包括包含多個(gè)轉(zhuǎn)子磁極的至少一個(gè)轉(zhuǎn)子組件。所述轉(zhuǎn)子組件設(shè)置成與所述至少一個(gè)定子磁相互作用。在所述裝置的運(yùn)行過程中，所述電磁裝置的頻率高于300Hz。
附圖簡述

圖1定子結(jié)構(gòu)的例圖；圖2定子繞組的例圖；圖3轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的例圖，表示磁體的位置和極性；圖4用于軸向型電動(dòng)機(jī)幾何結(jié)構(gòu)的定子/轉(zhuǎn)子配置例圖；圖5轉(zhuǎn)矩與速度的關(guān)系曲線，把傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)的性能與本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)比較；圖60.4kHz下不同的軟磁材料的磁芯損失與磁通密度的關(guān)系的圖表；圖71.0kHz下不同的軟磁材料的磁芯損失與磁通密度的關(guān)系的圖表；圖82.0kHz下不同的軟磁材料的磁芯損失與磁通密度的關(guān)系的圖表；圖90.5特斯拉下不同的軟磁材料的磁芯損失與頻率的關(guān)系的圖表；圖101.0特斯拉下不同的軟磁材料的磁芯損失與頻率的關(guān)系的圖表；圖111.5特斯拉下不同的軟磁材料的磁芯損失與頻率的關(guān)系的圖表；圖12利用低損耗材料設(shè)計(jì)高效的高速軸向氣隙電氣裝置的方法的流程圖；圖13取自用于圖12設(shè)計(jì)方法的磁芯的各種尺寸的例圖；以及圖14轉(zhuǎn)矩方程式的示范的表面曲線。
發(fā)明的詳細(xì)說明以下將參照附圖較詳細(xì)地說明本發(fā)明推薦的實(shí)施例。本發(fā)明涉及諸如具有由低損耗材料制成的纏繞的定子磁芯的無刷電動(dòng)機(jī)的電氣裝置的設(shè)計(jì)和/或制造。定子磁芯最好包括幾種先進(jìn)的低損耗磁性材料，包括非晶金屬、毫微晶金屬、優(yōu)化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料或者非晶粒定向的基于Fe的材料。以下段落提供這些先進(jìn)的低損耗磁性材料的示例，并就每一個(gè)示例進(jìn)行簡短的討論。這樣的先進(jìn)的低損耗材料的共同定義如下。
先進(jìn)的低損耗材料把非晶、毫微晶、優(yōu)化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料或者非晶粒定向的基于Fe的材料引入電氣裝置，使電機(jī)的頻率能提高到300Hz以上，同時(shí)與利用傳統(tǒng)的磁芯材料，諸如Si-Fe合金的傳統(tǒng)電機(jī)中磁芯損失所呈現(xiàn)巨大增長相比，磁芯損失只是相對小量增大。在定子磁芯中低損耗材料的使用使開發(fā)能夠提供增強(qiáng)的功率密度、改善的效率、具有更正方形轉(zhuǎn)矩-速度曲線的高頻、高極數(shù)電機(jī)裝置成為可能。
非晶金屬非晶金屬亦稱為金屬玻璃，并以許多種不同組成的方式存在。金屬玻璃是在不結(jié)晶的情況下，由迅速淬火合金形成的。非晶金屬不同于其他金屬，所述材料非常薄，亦即，厚度為2密耳(mil)(一英寸的千分之二)或者更小，而且極脆，因而使所述材料難以處理。一種可以應(yīng)用于本發(fā)明的適用的非晶材料是Metglas2605SA1，由Hitachi MetalsAmerica，Ltd公司擁有的Metglas Solutions公司銷售(要取得有關(guān)Metglas2605SA1的信息可參見http//www.metglas.com/products/paEe5 124.htm)。
相對于傳統(tǒng)的Si-Fe合金，非晶金屬具有若干明顯的缺點(diǎn)。與傳統(tǒng)的Si-Fe合金相比，非晶金屬呈現(xiàn)較低的飽和通量密度。較低的磁通密度的結(jié)果是電動(dòng)機(jī)的功率密度較低(按照傳統(tǒng)的方法)。非晶金屬的其他缺點(diǎn)是它們具有比傳統(tǒng)的Si-Fe合金低的熱傳導(dǎo)系數(shù)。由于熱傳導(dǎo)系數(shù)決定把熱量傳導(dǎo)到冷卻位置的難易，數(shù)值較低的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)給冷卻電動(dòng)機(jī)時(shí)把廢熱(由于磁芯損失)傳走造成較多的問題。傳統(tǒng)的Si-Fe合金呈現(xiàn)比非晶金屬低的磁致伸縮系數(shù)。在磁場的影響下，磁致伸縮系數(shù)較低的材料經(jīng)受較小的尺寸改變，而這本身又導(dǎo)致噪聲較小的電機(jī)。另外，非晶金屬難以用一種比傳統(tǒng)的Si-Fe的情況效能價(jià)格更合算的方式加工，亦即，難以沖壓、鉆孔或焊接。
盡管非晶材料有這些缺點(diǎn)，但是這樣的非晶金屬可以用來成功地提供一種運(yùn)行在高頻率下(亦即，頻率大于約300Hz)的電機(jī)。這是利用非晶金屬優(yōu)于傳統(tǒng)的Si-Fe合金的有利的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)的。所述非晶金屬在高頻下呈現(xiàn)低得多的磁滯損失，這導(dǎo)致磁芯損失低得多。非晶金屬低得多的導(dǎo)電率導(dǎo)致較低的渦流振幅，這也導(dǎo)致較低的磁芯損失。另外，非晶金屬的帶條或者薄片厚度一般比傳統(tǒng)的Si-Fe合金小得多，這也導(dǎo)致渦流和磁芯損失較低。非晶金屬的使用可以成功地提供一種電氣裝置，通過補(bǔ)償非晶金屬的缺點(diǎn)，同時(shí)利用非晶金屬的有利性質(zhì)，諸如較低的磁芯損失，所述電氣裝置可以在高頻下運(yùn)行。
硅鐵合金正如在這里使用的，傳統(tǒng)的Si-Fe涉及按重量計(jì)硅含量約3.5％或者更小的硅鐵合金。硅的3.5重量百分?jǐn)?shù)限制是所述行業(yè)由于硅含量較高的Si-Fe合金不良的金屬加工的材料特性強(qiáng)制加上的。在頻率大于約300Hz的磁場下的運(yùn)行造成的傳統(tǒng)的Si-Fe合金級別的磁芯損失大致是非晶金屬的10倍，這使傳統(tǒng)的Si-Fe材料被加熱到傳統(tǒng)的電機(jī)無法通過任何可以接受的裝置冷卻的程度。但是，某些級別的硅鐵合金，在這里稱作優(yōu)化的Si-Fe，將可以直接應(yīng)用來生產(chǎn)高頻電機(jī)。
優(yōu)化的Si-Fe合金定義為按重量計(jì)包含大于3.5％硅的硅鐵合金級別。推薦的優(yōu)化的Si-Fe合金按重量計(jì)包含約6.5％+/-1％的硅。最佳化加工的目標(biāo)是獲得一種把磁芯損失減到最小的硅含量的合金。這些優(yōu)化的Si-Fe合金級別的特征是，磁芯損失和磁飽和類似于非晶金屬。優(yōu)化的Si-Fe合金的一個(gè)缺點(diǎn)是，它們有點(diǎn)脆，而且大部分傳統(tǒng)的金屬加工技術(shù)在處理所述材料都證明是不可行的。但是，圍繞優(yōu)化的Si-Fe的脆性和可加工性問題有點(diǎn)類似于非晶金屬，而用于非晶金屬應(yīng)用的設(shè)計(jì)方法非常接近于優(yōu)化的Si-Fe用的設(shè)計(jì)方法。
用于制造傳統(tǒng)的Si-Fe的傳統(tǒng)的軋制技術(shù)一般地不用來制造優(yōu)化的Si-Fe。但是，可以利用該行業(yè)中已知的其他技術(shù)來制作優(yōu)化的Si-Fe。例如，可以利用先有技術(shù)中已知的碾磨技術(shù)來制造碾磨的優(yōu)化的Si-Fe合金。但是，它已證明對大規(guī)模生產(chǎn)是不可以接受的。優(yōu)化的Si-Fe合金還通過日本JFE Steel Corporation(公司)專有的真空汽相淀積工藝制造。在真空狀態(tài)下鐵或者硅鐵的成份被硅蒸氣覆蓋，因而使硅可以遷移到所述材料中?？刂扑稣婵掌嗟矸e工藝，以便達(dá)到按重量計(jì)最佳含量6.5％Si。在雖然從汽相淀積得到的優(yōu)化的Si-Fe合金比傳統(tǒng)的SiFe更脆，但是脆性低于碾磨的優(yōu)化的Si-Fe。優(yōu)化的Si-Fe可從JFE購得，商品名為″超級E磁芯″，并作為高性能6.5％硅磁鋼片銷售。
毫微晶金屬毫微晶材料是多晶材料，晶粒尺寸約達(dá)100毫微米。毫微晶金屬的屬性與傳統(tǒng)粗晶金屬相比，包括增強(qiáng)的強(qiáng)度和硬度、增強(qiáng)的擴(kuò)散性、改善的延性和韌性、降低的密度、降低的模量、較高的電阻、提高的比熱、較高的熱膨脹系數(shù)、較低的導(dǎo)熱率和優(yōu)良的軟磁特性。最好毫微晶金屬是基于鐵的材料。但是，毫微晶金屬還可以基于其他鐵磁材料，諸如鈷或鎳。一種帶有低損耗特性的示例性毫微晶金屬是日立的Finemet FT-3M。其他具有低損耗特性的示例性毫微晶金屬是可從德國的Vacuumschmeize GMBH & Co.(公司)購得的Vitroperm500Z。
晶粒定向和非晶粒定向金屬用先有技術(shù)已知的方法對基于Fe材料進(jìn)行機(jī)械處理可得到晶粒定向的基于Fe的材料。晶粒定向是指在軋制過程中內(nèi)部材料特性物理上對齊，以便產(chǎn)生愈來愈薄的金屬，使得所得體積的材料的晶粒具有優(yōu)先磁化方向。晶粒和磁疇的磁化在軋制過程的方向上取向。這種磁疇取向使磁場取向的翻轉(zhuǎn)容易得多，結(jié)果是降低了推薦方向上的磁芯損失。但是，所述磁芯損失在與所述推薦的方向正交的方向上增大，這在電氣裝置應(yīng)用中可能證明是一個(gè)缺點(diǎn)。
非晶粒定向的基于Fe的材料不具有推薦的磁疇對齊方向。所述非晶粒定向的基于Fe的材料不是非晶的，它具有一定量的結(jié)晶度。當(dāng)前可用的傳統(tǒng)的硅鋼具有某種晶體結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗蔷徛鋮s的，這導(dǎo)致某種程度的結(jié)晶，然后變薄。但是，與諸如傳統(tǒng)的硅鋼等晶粒定向的基于Fe的材料不同，非晶粒定向的基于Fe的材料具有更加各向同性的磁化。
可應(yīng)用于本發(fā)明的非晶粒定向的基于Fe的材料最好具有小于5密耳的厚度。
定義先進(jìn)的低損耗材料軟磁材料的磁芯損失一般地用以下修改過的Steinmetz方程式表達(dá)L＝a·f·Bb+c·fd·Be式中L是損失，以W/kg為單位，f是頻率，以KHz為單位，B是峰值磁通密度，以特斯拉為單位，而a，b，c和d以及e全都是對所述軟磁材料的獨(dú)特的損失系數(shù)。
上面的每一個(gè)損失系數(shù)a，b，c，d和e一般地可以從給定的軟磁材料的制造商獲得。正如在這里使用的，術(shù)語″先進(jìn)的低損耗材料″包括其特征是磁芯損失小于″L″的那些材料，式中L由下式給出L＝12·f·B1.5+30·f2.3·B2.3，式中L是損失，以W/kg為單位，
f是頻率，以KHz為單位，以及B是峰值磁通密度，以特斯拉為單位。
圖6-11提供在其范圍從0.4kHz到2.0kHz的不同頻率下和其范圍從0.5特斯拉到1.5特斯拉的不同的磁通密度下，不同的軟磁材料的磁芯損失(由方程式L＝a·f·Bb+c·fd·Be所定義的)或者與磁通密度或者與頻率的關(guān)系的圖表。圖6-11所示的每一種材料的損失系數(shù)列于下表1表1損失系數(shù)
上面的每一種材料都是軟磁材料，首先包括基于鐵的合金。上表中列出的每一個(gè)系數(shù)都是從所述材料的制造商或者從所述材料的制造商獲得的材料說明書中得出的，而所述系數(shù)一般地包括在所述材料的技術(shù)規(guī)格表中。為了達(dá)到這個(gè)目的，軟磁材料的每一個(gè)制造商一般都參與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ASTM測試程序，這產(chǎn)生所述材料的規(guī)格，由此可以推算Steinmetz方程式用的系數(shù)。
如從圖6-11可以看出的，畫出閾值線段，以便顯示用于定義″先進(jìn)的低損耗材料″的損失閾值的損失方程式。其損失方程式曲線高于這個(gè)閾值的材料，不是″先進(jìn)的低損耗材料″。其損失方程式曲線在這個(gè)閾值上或者它下面的材料，在這里定義為″先進(jìn)的低損耗材料″或者″先進(jìn)的材料″。如從圖6-11可以看出的，先進(jìn)的低損耗材料包括，但不限于，非晶金屬、毫微晶合金和優(yōu)化的Si-Fe。在公開的以下段落中，將描述由這樣的先進(jìn)的低損耗材料構(gòu)造的高效電磁電機(jī)。圖6-11提供的圖表表示其范圍在0.4kHz至2.0kHz的頻率和其范圍從0.5特斯拉到1.5特斯拉的磁通密度，因?yàn)檫@些是這里描述的電機(jī)運(yùn)行的典型范圍。但是，這里描述的電機(jī)不限于在這樣的范圍運(yùn)行。
一般裝置結(jié)構(gòu)本發(fā)明提供一種電氣裝置，它包括一個(gè)或多個(gè)定子和一個(gè)或多個(gè)磁場組件，諸如轉(zhuǎn)子。所述一個(gè)或多個(gè)定子用諸如非晶金屬、毫微晶金屬、優(yōu)化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料或者非晶粒定向的基于Fe的材料等先進(jìn)的低損耗材料形成。在推薦的實(shí)施例中，所述電氣裝置的定子和磁場組件是軸向型配置的。
圖1A和1B分別舉例說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的定子的頂視圖和側(cè)視圖。先進(jìn)的低損耗材料的帶條纏繞成大的圓環(huán)，以便形成定子金屬磁芯20。這些帶條一般厚度是0.10mm(0.004″)或者更小。當(dāng)從所述軸向觀看時(shí)，由所述帶條纏繞而成的圓環(huán)具有內(nèi)徑和外徑，所述內(nèi)徑和外徑定義了一個(gè)稱為總面積(TA)的已知表面積。然后對所述金屬磁芯進(jìn)行加工使其具有槽溝23，以便形成定子(下面進(jìn)一步詳細(xì)討論)的整體磁芯。這些槽溝減少了金屬磁芯的表面積。
圖1A示出所述定子磁芯20的內(nèi)徑(d)和外徑(D)，另外示出具有外寬度(w)的槽溝23，所述槽溝已經(jīng)加工在所述金屬磁芯20中，以便形成所述定子。去除槽溝之后留下的表面積稱為低損耗金屬面積。在推薦的實(shí)施例中，所述低損耗材料是一種非晶金屬，低損耗金屬面積亦稱為非晶金屬面積(AMA)。所述金屬磁芯具有內(nèi)圓周，它定義內(nèi)徑(d)。內(nèi)圓周在形成槽溝的部分不是連續(xù)的。而是這些槽溝的內(nèi)圓周橫跨槽溝所在的間隙。這些槽溝用來保持定子繞組。磁芯內(nèi)圓周的每一個(gè)剩余部分(亦即，從背鐵24伸出的各個(gè)延伸部分)稱為齒21。
圖1B示出牙齒21的高度(T)，它與定子20的總高度(H)比較?？偢叨劝ū宠F24的高度外加牙齒21的高度。齒21和槽溝23的數(shù)目相等。在推薦的實(shí)施例中，齒最窄的一部分不小于0.100英寸。如先有技術(shù)中已知，在定子上加工槽溝時(shí)被去除的面積可以被封裝和/或清漆化合物或者薄的有機(jī)絕緣材料連同導(dǎo)電的定子繞組填充。
正如以前所指出的，定子磁芯包括先進(jìn)的低損耗材料，而且在一個(gè)實(shí)施例中，其結(jié)構(gòu)是″整體的″。正如這里使用的，在結(jié)構(gòu)上是″整體的″定子磁芯是這樣的定子磁芯，它不需要兩個(gè)或多個(gè)子部件的裝配來完成所述定子磁芯。另外，這里公開的整體定子磁芯還是一個(gè)″單體的″定子磁芯。正如這里使用的，術(shù)語″單體的″是指從薄的軟磁材料帶條層疊而成的，以便形成基本形狀，然后從所述基本形狀去除一些材料，以便形成所述定子磁芯(例如，使基本形狀形成槽溝，以便在所述定子磁芯上形成齒)。不幸的是，先進(jìn)的低損耗材料往往極脆，已經(jīng)證明形成單體定子磁芯是困難的。然而，幾個(gè)公司，包括先進(jìn)的低損耗材料的某些制造商，已經(jīng)利用諸如金屬絲放電加工、激光切割、電化學(xué)研磨或者傳統(tǒng)的加工等不同的工藝由先進(jìn)的低損耗材料制造這樣的定子。
盡管這里描述的定子磁芯是整體結(jié)構(gòu)的單體定子磁芯，但是不同的類型的非整體的和非單體的定子磁芯亦擬供這里描述的電機(jī)之用。例如，一個(gè)隨后分割成段，使所得定子磁芯不是″整體的″″單體的″定子磁芯也是可能的。類似地，可以通過將先進(jìn)的材料模制成定子磁芯的形式來形成″整體的″定子磁芯(包括任何齒)，但是，因?yàn)樗龆ㄗ哟判静皇怯杀〉膸l纏繞而形成基本形狀，隨后從所述基本形狀去除一些材料，所以結(jié)果所得的定子磁芯不會(huì)是″單體的″。
圖2舉例說明一個(gè)已經(jīng)纏繞了定子繞組22的整體的單體的定子磁芯20。纏繞了定子繞組22的定子20設(shè)置入環(huán)形外殼內(nèi)，并用適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)電介質(zhì)封裝。可以用金屬絲把多個(gè)槽溝連接成共同的磁段，使之對應(yīng)于每極每相位槽溝數(shù)(SPP)的值約為0.5，式中SPP比率是定子磁芯槽溝數(shù)目除以定子繞組的相數(shù)和DC極數(shù)(SPP＝槽溝數(shù)/相數(shù)/極數(shù))。不被繞組占用的形成槽溝的面積，亦即，封裝、清漆和絕緣材料面積，是廢面積(WA)?？偯娣e和廢面積之間的差值稱為有用的面積。在一個(gè)推薦的實(shí)施例中，式中SPP＝0.5，分配來進(jìn)行纏繞的有用空間將為35％+/-10％或接近于所述百分?jǐn)?shù)，它使電機(jī)的功率密度(瓦輸出)/(立方厘米)優(yōu)化。這個(gè)百分?jǐn)?shù)值是在恒定的基本頻率和施加在每個(gè)定子齒上的恒定的安匝數(shù)的假定下給出的。通過同樣的計(jì)算，在同樣的假定下，求出一個(gè)不同的百分?jǐn)?shù)50％+/-10％。以便優(yōu)化每kg有效材料的轉(zhuǎn)矩。
任何能夠適當(dāng)?shù)刂С炙龆ㄗ优帕械倪m當(dāng)材料，都可以用于所述環(huán)形外殼。盡管環(huán)形外殼最好是非磁性的，但是對環(huán)形外殼材料的導(dǎo)電率沒有限制。其他因素也可以影響環(huán)形外殼材料的選擇，諸如機(jī)械強(qiáng)度的要求等。在一個(gè)具體實(shí)施例中，所述環(huán)形外殼由鋁形成。
磁場組件設(shè)置在定子體附近，所述磁場組件配置和排列成與定子磁相互作用，如先有技術(shù)共有的。圖3A和3B分別舉例說明一種軸向類型轉(zhuǎn)子30的形式的磁場組件的頂視圖和側(cè)視圖。轉(zhuǎn)子30與所述定子一起以共同軸31為中心。圖3A舉例說明多個(gè)磁體32具有交替極性，定位在轉(zhuǎn)子周圍。在不同的實(shí)施例中，磁體32的定位和極性可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的需要而改變。在一個(gè)推薦的實(shí)施例中，所述轉(zhuǎn)子包括多個(gè)永久磁鐵。圖3B舉例說明所述轉(zhuǎn)子的沿著圖3A的直線A截取的側(cè)視圖。在圖3B舉例說明的轉(zhuǎn)子的實(shí)施例中，磁體32延伸至轉(zhuǎn)子30的厚度。在其他實(shí)施例中，磁體32不延伸至轉(zhuǎn)子30的厚度。所述轉(zhuǎn)子的排列最好是一個(gè)盤形，或者軸向型轉(zhuǎn)子，包括徑向彼此隔開的超級永久磁鐵(例如，諸如鈷稀土磁鐵或者NdFeB等稀土磁鐵)，每一個(gè)都具有定義北極和南極的相反兩端。這樣支撐磁體32，使得它繞軸(未示出)的軸線(沿著共同的軸線31或者任何其他適當(dāng)?shù)呐渲?旋轉(zhuǎn)，以便各磁體的極可以沿著預(yù)定的路徑接近定子結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子30的磁體面積具有外徑和內(nèi)徑，所述內(nèi)徑形成內(nèi)部空穴34。在涉及一種轉(zhuǎn)子和定子軸向型配置的推薦的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子30的外徑和內(nèi)徑基本上與定子20的相同。若所述轉(zhuǎn)子30的外徑大于定子20的外徑，則所述轉(zhuǎn)子的外部對性能不起作用，而只增加重量和慣性。若所述轉(zhuǎn)子的外徑小于定子的外徑，則其結(jié)果是性能降低。
在計(jì)算SPP值時(shí)，磁極是指與改變著的磁場互相作用的DC磁場。因此，在所述推薦實(shí)施例中，永久磁鐵裝在轉(zhuǎn)子上提供DC磁場，由此得出DC極數(shù)。在其他實(shí)施例中，DC電磁體提供DC磁場。所述定子繞組的電磁體提供變化著的磁場，亦即，隨著時(shí)間和位置而改變的磁場。
在不同的實(shí)施例中，磁體安裝在所述轉(zhuǎn)子上或其內(nèi)部。所述磁體可以這樣彼此隔開，使得在圓周上交替的磁體之間沒有間隙。磁體之間的間隔最好保持在最佳值，它使轉(zhuǎn)矩的鑲齒效應(yīng)的發(fā)生減到最小。轉(zhuǎn)矩鑲齒效應(yīng)是輸入電流大大地減少之后，而在所述軸處于零點(diǎn)或者rpm非常低的時(shí)候，轉(zhuǎn)矩隨著位置而變動(dòng)，這引起不希望有的性能和聲學(xué)問題。一種最佳間隔的推算是，首先把定子20的低損耗金屬面積除以定子槽溝數(shù)目，以便得到每個(gè)單個(gè)金屬齒的面積。于是，磁體之間的所述最佳間隔為這樣的值，它使得每個(gè)磁體的總面積等于磁芯齒面積的175％+/-20％。
盡管已經(jīng)把所述磁體描述為永久磁鐵，但是這不是一個(gè)要求。所述磁體可以是其他類型的磁性材料，或者，在其他實(shí)施例中，可以是電磁體，感應(yīng)電機(jī)等，另外，盡管已經(jīng)在盤形或者軸向型實(shí)施例的環(huán)境下一般地討論了所述裝置，但是本發(fā)明的電氣裝置不限于軸向型裝置。而是，它可以在很寬的各種各樣的配置，諸如桶形或者半徑型電動(dòng)機(jī)，帶有定位在半徑轉(zhuǎn)子的外圓周上的轉(zhuǎn)子磁體。另外，橫過轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的彼此隔開的磁體數(shù)目可以變化，而同時(shí)仍舊落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
圖4舉例說明電氣裝置一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖，它包括定位在軸向型配置中的兩個(gè)定子磁芯20，兩個(gè)定子磁芯20分別在單一轉(zhuǎn)子30的任一側(cè)并且與單一轉(zhuǎn)子30一起沿著共同的中心軸線31，所述單一轉(zhuǎn)子30為兩個(gè)定子20服務(wù)。繞組22纏繞在定子20上。在一個(gè)特定實(shí)施例中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)包括包含Metglas@、在單一轉(zhuǎn)子兩側(cè)的定子磁芯的電氣裝置呈現(xiàn)高的功率密度。圖6至29舉例說明按照本發(fā)明的電氣裝置特定實(shí)施例的詳細(xì)設(shè)計(jì)規(guī)格。圖6至29詳細(xì)設(shè)計(jì)規(guī)格的變動(dòng)，包括各個(gè)組件尺寸的改變，或者甚至不用給定組件，對本專業(yè)普通技術(shù)人員將是顯而易見的，而同時(shí)仍舊落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
在本發(fā)明的上述推薦實(shí)施例中，所述定子配置包括兩個(gè)定子磁芯，它們定位在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的相反兩側(cè)附近。但是，應(yīng)該指出，為了滿足想要的應(yīng)用的要求，需要多少個(gè)附加的交替定子和轉(zhuǎn)子布置，本發(fā)明的電氣裝置就允許重疊多少個(gè)。所述定子外殼一般彼此成鏡像，因此，只需要詳細(xì)描述一個(gè)定子磁芯即可。
電氣裝置的性能特性最好根據(jù)所述電機(jī)要求的性能進(jìn)行共同優(yōu)化。性能特性的示例包括在高頻下的換向、維持低電感并維持低速控制。為了從這樣的一種軸向型電氣裝置獲得最大性能，功率電子電路是關(guān)鍵部分。不良的功率電子電路可以造成功率電子電路(PE)紋波，在一種電氣裝置運(yùn)行過程中不希望有的轉(zhuǎn)矩變動(dòng)，它對性能有消極的影響。
利用低損耗材料的極數(shù)、高頻設(shè)計(jì)在一個(gè)推薦的實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種電動(dòng)機(jī)，帶有高極數(shù)，運(yùn)行在高頻下，亦即，大于約300Hz。對于一種具有高極數(shù)還運(yùn)行在高頻下的電氣裝置，它不是先有技術(shù)已知的。利用傳統(tǒng)的Si-Fe的已知的裝置無法在顯著地高于300Hz的磁頻率下切換，因?yàn)楦淖冎拇艌鲈斐纱判緭p失，其中磁芯損失導(dǎo)致所述材料被加熱到所述裝置無法通過任何可以接受的裝置冷卻的程度。在某些狀態(tài)下，傳統(tǒng)的Si-Fe材料的發(fā)熱甚至可能嚴(yán)重到足以使所述電機(jī)無論如何都無法冷卻，將自行破壞。但是，已經(jīng)確定，先進(jìn)的低損耗材料，包括非晶金屬、毫微晶金屬、優(yōu)化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料、或者非晶粒定向的基于Fe的材料的低損耗特性，使比傳統(tǒng)的Si-Fe材料高得多的切換頻率成為可能。盡管在一個(gè)實(shí)施例中，所述定子磁芯使用Metglas消除了高頻運(yùn)行時(shí)發(fā)熱帶來的系統(tǒng)限制，但是所述轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)還可以得到改善，以便利用低損耗材料的這些特性。
對給定的裝置而言，高極數(shù)是一個(gè)相對的術(shù)語。本發(fā)明的裝置的極數(shù)是一個(gè)基于電機(jī)大小(物理的約束)和預(yù)期性能范圍的變量。極數(shù)可以一直增大到磁通泄漏增加到不希望有的值，或者較少的極數(shù)得出改善的性能。定子對轉(zhuǎn)子磁極數(shù)目也呈現(xiàn)機(jī)械上的限制，因?yàn)槎ㄗ硬蹨媳仨毰c轉(zhuǎn)子磁體一致。在所述定子可能形成的槽溝數(shù)目方面，也存在機(jī)械上的和電磁上的限制，這本身又隨電機(jī)的框架尺寸而變。在銅和Metglas的適當(dāng)?shù)钠胶庀?，對于給定的定子框架，可以設(shè)置某個(gè)邊界，以確定槽溝數(shù)的上限，制造性能良好的軸向間隙電機(jī)時(shí)，這可以作為一個(gè)參數(shù)使用。本發(fā)明提供一些極數(shù)比大部分傳統(tǒng)的電機(jī)極數(shù)的工業(yè)值的大4或5倍的電動(dòng)機(jī)。
作為示例，工業(yè)上典型的電動(dòng)機(jī)具有6至8極，對于速度約為800至3600rpm的電動(dòng)機(jī)，換接頻率約為100至400Hz。所述換接頻率(CF)是旋轉(zhuǎn)速度乘以極對的數(shù)目，式中極對的數(shù)目是極數(shù)除以2，而旋轉(zhuǎn)速度單位是每秒轉(zhuǎn)數(shù)(CF＝rpm/60x極數(shù)/2)。另外，工業(yè)上可用的是大于約16極的高極數(shù)，但是速度小于1000rpm，這仍舊對應(yīng)于小于300Hz的頻率。作為另一方案，還有極數(shù)相對低(小于約6極)的電動(dòng)機(jī)，速度高達(dá)3000rpm，這仍舊具有小于約400Hz的換接頻率。在不同的實(shí)施例中，本發(fā)明提供一些電機(jī)，例如，96極，1250rpm，在1000Hz下；54極，3600rpmrpm在1080Hz下；4極，30000rpm，在1000Hz下；以及2極，60000rpm，在1000Hz。因此，本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)與″標(biāo)準(zhǔn)″電動(dòng)機(jī)相比，提供高出4或5倍的較高頻率。當(dāng)工作在同樣速度范圍時(shí)，本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)比所述工業(yè)上典型的電動(dòng)機(jī)更有效，而結(jié)果是，提供較多的速度選擇。
推薦的設(shè)計(jì)方法一種確定本發(fā)明不同的推薦實(shí)施例用的設(shè)計(jì)特性確定方法示于圖12。圖12所提出的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)這樣一個(gè)認(rèn)識，即，通過結(jié)合方程式的操縱、軸向氣隙電機(jī)可以用相對較少的變量定義。通過用盡可能少的變量定義電機(jī)，某些變量可能最大化，而電機(jī)可能在一個(gè)給定的速度下優(yōu)化。圖12的方法表示設(shè)計(jì)一種在給定的速度下轉(zhuǎn)矩優(yōu)化、因而功率優(yōu)化的軸向氣隙電機(jī)的方法。為了設(shè)計(jì)這樣的電機(jī)，所述電機(jī)必須首先簡化為單一個(gè)方程式，它用盡可能少的變量表示電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。在目前的方法中，已經(jīng)確定，軸向氣隙電機(jī)的轉(zhuǎn)矩可以按照以下方程式表達(dá)τ=124·j·212·(-λ·D·π+h·t+x·t)·L·pf·D·(-D·π-D·π·λ2+2·λ·D·π-2·h·t+2·h·t·λ)·B]]>式中，τ＝電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，Nm；j＝電流密度，A/mm2；D＝定子的外徑，mm；h＝內(nèi)徑處磁芯點(diǎn)齒寬度，mm；t＝每定子的總槽溝數(shù)；x＝所述定子中由于絕緣而廢棄的總槽溝寬度，mm；pf＝堆積因數(shù)，作為槽溝填充的百分?jǐn)?shù)；L＝繞組的軸向長度，mm；B＝峰值磁通密度，特斯拉；
上述幾個(gè)變量在圖13的圖形中用到。
如從上述方程式看出的，有9個(gè)變量。但是，當(dāng)接近任何設(shè)計(jì)實(shí)例時(shí)，這些變量中的許多將是固定值，是不變的。例如，在上述方程式中，假定根據(jù)所設(shè)計(jì)的電機(jī)類型，j，x，pf，L和B是真正不改變的。這剩下X，D，h和t作為要操縱的僅有幾個(gè)變量。正如以下討論的，然后設(shè)計(jì)者根據(jù)設(shè)計(jì)的靈活性選擇D和t值。于是剩下轉(zhuǎn)矩與h和λ的關(guān)系的方程式。從這樣的方程式的曲線圖將得出曲面圖，如圖14所示。然后，若設(shè)計(jì)者把所述轉(zhuǎn)矩方程式對λ微分，他或她可以設(shè)置所得方程式等于0，并求出λ。0和1之間所得出的解提供一個(gè)對給定的輸入優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩，(因?yàn)椋炊x只可以能存在0和1之間)。
如圖12所示，圖中概述了上述設(shè)計(jì)方法。如圖12所示，電機(jī)的設(shè)計(jì)者假定一種其定子包括先進(jìn)的低損耗材料的軸向氣隙電機(jī)。然后設(shè)計(jì)者選擇要求的高端速度。接著，選擇約1000Hz作為所述電機(jī)要求的同步頻率，按照方程式f＝SP/2算出極數(shù)，式中S是所述要求的高端運(yùn)行速度，而P是極數(shù)。然后，利用算出的極數(shù)和假定所述電機(jī)每極每相的槽溝數(shù)為0.5，正如以下討論的，作為一個(gè)推薦實(shí)施例，可以算出定子的槽溝數(shù)。根據(jù)要求的用途和限制，選擇所述電機(jī)的外徑。這只剩下h和k要按照上面提供的轉(zhuǎn)矩方程式?jīng)Q定。然后所述轉(zhuǎn)矩方程式對λ進(jìn)行微分，并把所得方程式設(shè)置等于0。然后從所述方程式解出λ。在0和1之間得出的解提供一個(gè)對全部給定的輸入優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩。
正如上面描述的，上述設(shè)計(jì)方法提供一種有效的和利用先進(jìn)的低損耗材料的高效、高功率、高速電氣裝置一個(gè)推薦實(shí)施例。當(dāng)然，可以在所述推薦的實(shí)施例外，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，設(shè)想其他實(shí)施例和設(shè)計(jì)。
每極每相槽溝數(shù)比率在一個(gè)推薦的實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種SPP比率最優(yōu)等于0.5的電動(dòng)機(jī)。在一個(gè)推薦的實(shí)施例中，本發(fā)明提供三相電動(dòng)機(jī)。對于三相電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子磁極數(shù)是定子槽溝數(shù)的2/3，槽溝數(shù)是相數(shù)的倍數(shù)。盡管三相(星形接法)是行業(yè)慣例，本發(fā)明不排除采用三角形接法。
一方面，SPP比率以非常高的數(shù)目例如，約6開始，向0.5減小，電氣裝置表現(xiàn)出相當(dāng)大的轉(zhuǎn)矩鑲齒效應(yīng)、功率電子電路(″PE″)紋波和高噪音電平。如前所述，鑲齒效應(yīng)和PE紋波都產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的變動(dòng)，后者對所述電氣裝置的性能具有不希望有的影響。
傳統(tǒng)上，焦點(diǎn)一直是制造一種磁芯槽溝數(shù)增大而轉(zhuǎn)子磁極數(shù)減少的裝置，它達(dá)到SPP比率1.0至3.0，提供功能更強(qiáng)、噪音較少的電氣裝置。但是，雖然由于繞組分布較好，在大于1.0的SPP比率下運(yùn)行的電機(jī)提供比較平滑的輸出，但是它們受到增加的末端匝數(shù)的影響。末端匝數(shù)是定子中的金屬絲部分中對所述電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率輸出不起作用的部分。在這個(gè)意義上，它們是不希望有的，它們增加了成本并造成電機(jī)的歐姆損失，而同時(shí)不帶來好處。因而，所述電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者的一個(gè)目標(biāo)是把末端匝數(shù)減到最小，并提供一種噪音和鑲齒效應(yīng)易于控制的電動(dòng)機(jī)。
最好希望在SPP比率約0.5下運(yùn)行，因?yàn)槠浣Y(jié)果是得到一種末端匝數(shù)最小電氣裝置。一般，末端各匝較短，導(dǎo)致更有效地利用銅材料，但是轉(zhuǎn)矩可能得到改善，雖然轉(zhuǎn)矩?cái)z動(dòng)(鑲齒效應(yīng))增大。本發(fā)明軸向配置的實(shí)施例從大于1.0SPP比率得不到好處，而在0.5的SPP的條件下得到較佳性能。另外，在這里提供所述電機(jī)相對較高的極數(shù)和0.5或者更低的SPP比率，所述轉(zhuǎn)子的磁體(和一般地轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu))可能做得較薄的和成本較低。
有可能利用金屬絲把多個(gè)槽溝連接成共同的磁段，這是由大于0.5的SPP定義的。這是定子槽溝數(shù)多于轉(zhuǎn)子磁極數(shù)目的結(jié)果，產(chǎn)生一種分布式繞組。SPP的值小于或者等于0.5表明沒有分布式繞組。行業(yè)上的慣例是包括定子中的分布式繞組。但是，分布式繞組使SPP的值上升，頻率降低。結(jié)果是，在傳統(tǒng)的SPP＝0.5和低頻率的電機(jī)中，仍然存在低極數(shù)。SPP＝0.5加上低極數(shù)，結(jié)果是鑲齒效應(yīng)極難控制。
構(gòu)建一種分?jǐn)?shù)SPP的電動(dòng)機(jī)是有利的，因?yàn)檫@樣的電動(dòng)機(jī)可能使用預(yù)先形成的繞組，繞在單一的定子齒上。在不同的實(shí)施例中，SPP比率是0.25，0.5，0.75，1.0或者大于1.0。在一個(gè)推薦的實(shí)施例中，SPP比率是0.5。
接線/繞組設(shè)計(jì)上的靈活性本發(fā)明的裝置的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它允許制造商利用不同的接線配置。傳統(tǒng)的定子設(shè)計(jì)限制繞組設(shè)計(jì)選擇，因?yàn)槔肧PP比率為1.0至3.0的焦點(diǎn)，這要求在多個(gè)槽溝上分配繞組。這變得難以具有大于2或3個(gè)分布式繞組的繞組選項(xiàng)。本發(fā)明提供利用SPP＝0.5設(shè)計(jì)的能力，式中一般每個(gè)定子齒只有一個(gè)分立繞組。但是，本發(fā)明不排除其他SPP＝0.5裝置。單一的齒繞組可以容易地修改，并重新連接，以便提供給定用途的任何電壓要求。于是，只要改變繞組，用單一組電動(dòng)機(jī)硬件即可簡單地提供范圍寬闊的解決方案。一般地，繞組在電磁體回路中是最容易改變的組件。
于是，給定的一個(gè)接近0.5的SPP比率，正如在本發(fā)明的裝置中，在定子繞組配置上有巨大的靈活性。例如，制造商可以把每一個(gè)定子彼此獨(dú)立，或者制造商可以在同樣的定子內(nèi)提供分離的定子繞組。這個(gè)能力是SPP等于0.5的系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。盡管偶爾也有工業(yè)系統(tǒng)使用SPP＝0.5，但是它們不是廣泛采用的，只在適當(dāng)?shù)膽?yīng)用場所成功地得到滿意結(jié)果。本發(fā)明成功地提供一個(gè)SPP等于0.5的系統(tǒng)，它為這種繞組上的靈活性作好準(zhǔn)備。
熱性能在既包括利用傳統(tǒng)的Si-Fe合金又包括利用非晶金屬、毫微晶金屬、優(yōu)化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料或者非晶粒定向的基于Fe的材料的全部電氣裝置中，限制裝置輸出的特性之一是廢熱。廢熱有若干種來源，包括(但是不限于)歐姆損失、趨膚和接近效應(yīng)損失、磁體及其他轉(zhuǎn)子組件中渦流造成的轉(zhuǎn)子損失和定子磁芯的磁芯損失。因?yàn)楫a(chǎn)生大量廢熱，傳統(tǒng)的電機(jī)很快就達(dá)到它們排放廢熱的能力極限。傳統(tǒng)的電機(jī)的″連續(xù)功率極限″往往由電機(jī)可以連續(xù)地運(yùn)作，而同時(shí)仍舊能夠耗散產(chǎn)生的全部廢熱的最大速度確定的。所述連續(xù)功率極限也隨電流而變。
但是，在本發(fā)明的裝置中產(chǎn)生的廢熱較少，因?yàn)榉蔷Ы饘?、毫微晶金屬、?yōu)化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料、或者非晶粒定向的基于Fe的材料具有比傳統(tǒng)的Si-Fe較低的損失，因而設(shè)計(jì)者可以通過提高頻率、速度和功率，利用這些低損耗特性，然后正確地平衡較低的磁芯損失和可能性增大的歐姆損失并在它們之間進(jìn)行″交易″。
總體上，對于與傳統(tǒng)的電機(jī)同樣的功率，本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)較低的損失，因而較高轉(zhuǎn)矩和速度，正如在圖5舉例說明并在下面較詳細(xì)地討論的。
因此，本發(fā)明的裝置可以達(dá)到比傳統(tǒng)的電機(jī)高的連續(xù)速度極限。
提高效率本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它使裝置的效率最大化而同時(shí)維持效能價(jià)格比的能力。效率定義為裝置的功率輸出除以功率輸入。本發(fā)明的同時(shí)運(yùn)行在較高換接頻率與高極數(shù)下的能力的結(jié)果是具有低的磁芯損失和高的功率密度。400Hz的高頻極限是一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即若有實(shí)際應(yīng)用，也很少。
本發(fā)明的性能和提高的效率不是用諸如非晶金屬等低損耗材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Si-Fe時(shí)一種簡單的固有的特征。從歷史的觀點(diǎn)看，約15年前有人曾經(jīng)嘗試，但未能符合性能要求(包括過熱和功率較低)。這種失敗是以一種僅僅針對傳統(tǒng)的材料(例如，按重量計(jì)Si-Fe具有3.5％或者更小的Si)設(shè)計(jì)或?qū)ζ溥m用的方式來采用新材料(非晶)的結(jié)果。這個(gè)早期的性能失敗，與非晶金屬加工為電動(dòng)機(jī)的感覺上的造價(jià)結(jié)合，使得幾乎所述行業(yè)全部公司都放棄這項(xiàng)研究。本發(fā)明還已經(jīng)通過設(shè)計(jì)利用非晶金屬、毫微晶金屬、優(yōu)化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料或者非晶粒定向的基于Fe的材料的特性的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，克服了所述性能失敗。其結(jié)果是，一種在大于400Hz的換接頻率下運(yùn)行，具有高極數(shù)，高效率和高功率密度的全部有利特性的電動(dòng)機(jī)。而同時(shí)其他傳統(tǒng)的方法已經(jīng)允許只結(jié)合所述四個(gè)特性中的兩個(gè)，本發(fā)明提供同時(shí)呈現(xiàn)全部四個(gè)特性的電動(dòng)機(jī)。
本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)是顯著地減少效率損失，包括磁滯損失。磁滯損失是在晶粒定向Si-Fe合金磁化過程中由阻抗磁疇壁運(yùn)動(dòng)造成的，它可以造成磁芯的過熱。提高效率的結(jié)果是，本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)能夠達(dá)到較大的連續(xù)速度范圍。所述速度范圍問題描述為轉(zhuǎn)矩速度曲線下面的面積。傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)受到它們或者在高速范圍提供低轉(zhuǎn)矩(小功率)，或者低速度范圍提供高轉(zhuǎn)矩的限制。本發(fā)明成功提供高速范圍高轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)。
表2設(shè)計(jì)參數(shù)和性能的比較
1傳統(tǒng)的鐵芯電動(dòng)機(jī)(由Gieras等人提供數(shù)據(jù))2Gieras等人的無鐵芯圓盤型設(shè)計(jì)3在不按照本發(fā)明重新設(shè)計(jì)的情況下，70-32，減小到750rpm
4正如這里公開的示例性電動(dòng)機(jī)，按Gieras等人的同一外徑重新設(shè)計(jì)表2提供本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)與Gieras等人(2002年7月2日)在IEEE公開的10kW，750rpm的無磁芯圓盤型永久磁鐵無刷電動(dòng)機(jī)，和一種等效的10kW，750rpm傳統(tǒng)的定子和轉(zhuǎn)子磁芯的設(shè)計(jì)參數(shù)和性能的比較。正如表2所示，按照在這里公開的原則設(shè)計(jì)的示例性電動(dòng)機(jī)，提供相等或者較大的功率、同樣的速度、相等或者較大轉(zhuǎn)矩、大致相同的效率和較大的電流密度(結(jié)果是，較低的磁芯損失)?？傮w上與Gieras等人的電動(dòng)機(jī)或者傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)相比，本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)還使用較少永久磁鐵材料和事實(shí)上，較少有效材料。表2還表示，與Gieras等人的系統(tǒng)相比，本發(fā)明每公斤有效材料提供相等或者較好的轉(zhuǎn)矩，以類似的熱額定功率，成本較低并運(yùn)行在高得多的頻率上(大一倍)。這是通過利用這個(gè)實(shí)施例用的非晶金屬的有利的特性完成的。
表3設(shè)計(jì)參數(shù)和性能的比較
a GE電動(dòng)機(jī)，型號為#5K182BC218A，Qu等人提供的數(shù)據(jù)b 扣除風(fēng)扇和散熱器用的空間c Yasakawa Electric Co.(公司)電動(dòng)機(jī)，Qu等人提供的數(shù)據(jù)d 由Federico Caricchi設(shè)計(jì)，Qu等人提供的數(shù)據(jù)
e 半徑-磁通量，環(huán)形纏繞，永久磁鐵電機(jī)，由Qu等人設(shè)計(jì)f 每單位質(zhì)量的轉(zhuǎn)矩g 每單位體積的轉(zhuǎn)矩表3提供本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)與雙轉(zhuǎn)子、半徑-磁通量、環(huán)形纏繞永久磁鐵電機(jī)(RFTPM)，Qu等人(2002年7月2日)在IEEE公開的電動(dòng)機(jī)和商業(yè)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(IM)和內(nèi)部永久磁鐵電機(jī)(IPM)以及軸向磁通量環(huán)形纏繞永久磁鐵電機(jī)(AFTPM)的設(shè)計(jì)參數(shù)和性能的比較。兩種電動(dòng)機(jī)I和電動(dòng)機(jī)II都在頻率1000Hz下運(yùn)作，具有約13cm外徑和類似的熱額定功率(1.0-1.45W/in2)。表3表示本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)對于給定的速度并且以較高效率，提供較大的轉(zhuǎn)矩。
理想化的正方形轉(zhuǎn)矩-速度曲線本發(fā)明提供一種電氣裝置，它以更正方形的轉(zhuǎn)矩-速度曲線運(yùn)行。圖5a表示情況1按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩-速度曲線，其中速度畫在水平軸線上，而轉(zhuǎn)矩在垂直軸線上。所選擇的極數(shù)為8，盡管任何極數(shù)都可以選作比較的裝置。最好在電動(dòng)機(jī)中對于任何速度都可以達(dá)到任何轉(zhuǎn)矩，這被描繪為所述電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的矩形或者正方形面積。
由于轉(zhuǎn)矩(垂直軸)受歐姆損失造成的熱損失限制，傳統(tǒng)的電機(jī)可以只對于給定的可用空間一個(gè)百分?jǐn)?shù)形成正方形轉(zhuǎn)矩速度曲線。另外，速度(水平軸)受到遞增頻率限制，正如前面討論的，這還使材料中的磁芯損失遞增。就是說，若分析傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩-速度曲線，人們會(huì)得到一條類似于圖5a所示的曲線。對照之下，盡管本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)存在類似的轉(zhuǎn)矩，但是與傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)相比，由于與頻率有關(guān)的損失低得多，速度范圍大大地加寬了。
圖5b表示情況2按照本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)已經(jīng)重新設(shè)計(jì)為36極，以便利用高頻運(yùn)行的好處，正如本發(fā)明建議的。允許所述磁芯損失具有這樣的值，使得新的可以達(dá)到的速度極限類似于傳統(tǒng)的電機(jī)的速度極限。但是，作為高頻產(chǎn)生電動(dòng)勢(EMF)的結(jié)果，在本發(fā)明的電機(jī)中，給定的轉(zhuǎn)矩的相應(yīng)的歐姆損失比在傳統(tǒng)的電機(jī)中低得多，因此，在不超過熱極限的情況下，允許本發(fā)明增大電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。因此，利用所述低損耗材料的特性的結(jié)果是，本發(fā)明的性能超過傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)。
本發(fā)明的電氣裝置提供一種轉(zhuǎn)矩-速度曲線，與傳統(tǒng)的裝置相比，所述曲線下面的面積大大增加。在所述曲線下增大的面積表明，對于給定的設(shè)計(jì)現(xiàn)在可以達(dá)到更多和較大的用途。已知功率隨著速度線性增大。正如本發(fā)明所提供的，裝置速度增大和轉(zhuǎn)矩恒定，所述裝置具有較大的功率密度，亦即，對于固定的尺寸功率更大。在上面呈現(xiàn)的情況1和2兩種情況下，本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)性能都優(yōu)于傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)。
總諧波畸變本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在轉(zhuǎn)子裝置的磁極跨越定子的磁極時(shí)，本發(fā)明的裝置產(chǎn)生總諧波畸變(THD)低的整潔的正弦曲線。THD是不希望有的，因?yàn)樗鸶郊拥暮头巧a(chǎn)性電流流動(dòng)，后者本身又引起附加的發(fā)熱。低THD是相對的，″良好的″設(shè)計(jì)總是小于5％，并可以要求低于1％。此外，某些制定規(guī)章的機(jī)構(gòu)規(guī)定THD閾值，如果沒有得到規(guī)章的批準(zhǔn)，不能超過所述THD閾值。例如，為了得到歐洲的CE標(biāo)記，必須滿足一定的THD值。
0.5的SSP比值有助于產(chǎn)生更加正弦形的輸出，可以借助于電子線路機(jī)一步改善所述輸出。由于本發(fā)明使用非晶金屬、毫微晶金屬、優(yōu)化的Si-Fe合金、晶粒定向的基于Fe的材料或者非晶粒定向的基于Fe的材料以便有利地使用SSP＝0.5的最佳值，因此通過考慮適當(dāng)?shù)厥褂盟霾牧?，可以得到低THD的第三個(gè)好處。
實(shí)例已經(jīng)按照上述電機(jī)概念設(shè)計(jì)一種電動(dòng)機(jī)。所述電動(dòng)機(jī)的磁芯由Metglass合金2605SA1制成，并形成槽溝，帶有54個(gè)彼此等距地隔開的齒。定子繞組是單層線圈26+/-1匝，室溫下電阻約為0.011Ω。轉(zhuǎn)子組件由36個(gè)轉(zhuǎn)子磁鐵構(gòu)成，極性交替地排列在轉(zhuǎn)子平板上。轉(zhuǎn)子磁鐵是稀土/鐵/硼磁鐵，最大能量乘積大于36MGOe，而內(nèi)部矯頑力大于21kOe。這個(gè)電機(jī)的性能特性列于下面表4表4示例性性能逆變器 320Vrms線路有效輸出功率 80852 瓦軸轉(zhuǎn)矩 214Nm速度 3600 rpm效率 94％電機(jī)冷卻 液體極對數(shù) 18每定子槽溝數(shù) 54電機(jī)總體尺寸外徑 308mm長度 117mm電氣的、相位特性Ke 66 Vrms/krpm線路Ke 0.363 V-sKe的THD 2.9％電阻 11.8 m-ohm電感 85.8 μH有效材料質(zhì)量NdFeB磁體 2.0kg銅 3.7kg非晶金屬 19.1kg本專業(yè)技術(shù)人員不難意識到，本發(fā)明非常適合于達(dá)到目標(biāo)，并獲得上述目的和優(yōu)點(diǎn)以及它固有的優(yōu)點(diǎn)。這里描述的電氣裝置，正如當(dāng)前呈現(xiàn)的推薦的實(shí)施例，是示例性的而不打算限制本發(fā)明。本專業(yè)的技術(shù)人員會(huì)想到其中的改變及其他用途，這些都包括在本發(fā)明的精神內(nèi)，由權(quán)利要求書的范圍定義。
對本專業(yè)技術(shù)人員顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，對這里所公開的本發(fā)明可以作出改變、替代和修改。例如，盡管這里已經(jīng)描述了軸向間隙電機(jī)，但是按照這里所公開的原理可以設(shè)計(jì)其他類型的電機(jī)，諸如半徑間隙電機(jī)或者線性電機(jī)。
另外，電機(jī)可以包括若干永久磁鐵電機(jī)以外的電機(jī)，諸如感應(yīng)電機(jī)、同步電機(jī)、同步磁阻電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和直流電磁體電機(jī)。另外，其他類型的轉(zhuǎn)子和/或定子繞組方案全都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。于是，這樣的附加實(shí)施例是在本發(fā)明及以下權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
本文描述了組件或者限制，所述組件或者限制具有與所述組件或者限制相聯(lián)系的各種各樣不同的可能的數(shù)目或者尺寸，在附加的實(shí)施例中，組件或者限制處于一定范圍內(nèi)，通過從作為所述范圍的端點(diǎn)提供的特別值中取任何兩個(gè)值來規(guī)定所述范圍。所述范圍包括端點(diǎn)，除非明確指出相反的情況。
權(quán)利要求
1.一種電磁裝置，它包括(a)至少一個(gè)定子組件，它包括由低損耗軟磁材料制成的整體磁芯，其中所述整體磁芯包括若干槽溝，并且其中以定子繞組纏繞所述槽溝；以及(b)至少一個(gè)磁場組件，它包括多個(gè)磁極，所述磁場組件配置和排列成與所述至少一個(gè)定子磁相互作用，其中所述低損耗軟磁材料的特征是磁芯損失小于″L″，式中L由下式給出L＝12·f·B1.5+30·f2.3·B2.3L是損失，以W/kg為單位，f是頻率，以KHz為單位，以及B是峰值磁通密度，以特斯拉為單位；并且其中所述電磁裝置的頻率在所述裝置運(yùn)行的過程中高于300Hz。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置是軸向氣隙裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述電磁裝置的頻率在所述裝置運(yùn)行的過程中大于約400Hz。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置的頻率在所述裝置運(yùn)行的過程中處在400Hz和1000Hz之間。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置的頻率在所述裝置運(yùn)行的過程中為大約1000Hz。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述低損耗軟磁材料是非晶金屬。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述低損耗軟磁材料是毫微晶金屬。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述低損耗軟磁材料是優(yōu)化的Si-Fe合金。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述整體磁芯也是單體磁芯。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置的每極每相槽溝數(shù)為大約0.5。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中磁場組件是轉(zhuǎn)子。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述多個(gè)磁極在大于約12,000轉(zhuǎn)/分的速度下多于4個(gè)磁極。
13.一種制造電磁裝置的方法，所述方法包括(a)選擇低損耗軟磁材料，所述低損耗軟磁材料的特征在于磁芯損失小于″L″，式中L由下式給出L＝12·f·B1.5+30·f2.3·B2.3，式中L是損失，以W/kg為單位，f是頻率，以KHz為單位，以及B是峰值磁通密度，以特斯拉為單位；(b)提供至少一個(gè)定子組件，它包括由所述低損耗軟磁材料制成的整體磁芯；(c)在所述槽溝中設(shè)置定子繞組；以及(d)提供至少一個(gè)磁場組件，所述至少一個(gè)磁場組件包括用于與所述定子繞組磁互相作用的多個(gè)磁極。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述電磁裝置是軸向氣隙裝置。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述多個(gè)磁極包括36極。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述多個(gè)磁極在大于約12,000轉(zhuǎn)/分的速度下多于4個(gè)磁極。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述裝置每極每相的槽溝數(shù)為大約0.5。
18.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述低損耗軟磁材料是非晶金屬。
19.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述低損耗軟磁材料是毫微晶金屬。
20.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述低損耗軟磁材料是Si-Fe合金。
21.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述整體磁芯也是單體磁芯。
22.一種電磁裝置，它包括(a)至少一個(gè)定子組件，它包括由低損耗軟磁材料制成的單體磁芯，其中所述單體磁芯包括若干槽溝，并且其中以定子繞組纏繞所述槽溝；以及(b)至少一個(gè)磁場組件，它包括多個(gè)磁極，所述磁場組件配置和排列成與所述至少一個(gè)定子磁相互作用，其中，所述低損耗軟磁材料的特征是磁芯損失小于″L″，其中L由下式給出L＝12·f·B1.5+30·f2.3·B2.3，式中L是損失，以W/kg為單位，f是頻率，以KHz為單位，以及B是峰值磁通密度，以特斯拉為單位；以及其中所述電磁裝置的頻率在所述裝置運(yùn)行的過程中高于300Hz。
23.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述裝置是軸向氣隙裝置。
24.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述電磁裝置的頻率在所述裝置運(yùn)行的過程中大于約400Hz。
25.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述裝置的頻率在所述裝置運(yùn)行的過程中處在400Hz和1000Hz之間。
26.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述裝置的頻率在所述裝置運(yùn)行的過程中為大約1000Hz。
27.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述低損耗軟磁材料是非晶金屬。
28.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述低損耗軟磁材料是毫微晶金屬。
29.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述低損耗軟磁材料是優(yōu)化的Si-Fe合金。
30.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述裝置每極每相的槽溝數(shù)為大約0.5。
31.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中所述多個(gè)磁極包括36極。
32.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中在大于大約12,000轉(zhuǎn)/分的速度下所述多個(gè)磁極多于4個(gè)磁極。
33.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中所述磁場組件是轉(zhuǎn)子。
34.一種制造電磁裝置的方法，所述方法包括(a)選擇低損耗軟磁材料，所述低損耗軟磁材料的特征在于磁芯損失小于″L″，式中L由下式給出L＝12·f·B1.5+30·f2.3·B2.3，式中L是損失，以W/kg為單位，f是頻率，以KHz為單位，以及B是峰值磁通密度，以特斯拉為單位；(b)提供至少一個(gè)定子組件，它包括由所述低損耗軟磁材料制成的單體磁芯；(c)在所述槽溝中設(shè)置定子繞組；以及(d)提供至少一個(gè)磁場組件，所述至少一個(gè)磁場組件包括用以與所述定子繞組磁互相作用的多個(gè)磁極。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述電磁裝置是軸向氣隙裝置。
36.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述多個(gè)極包括36極。
37.如權(quán)利要求34所述的方法，其中在大于大約12,000轉(zhuǎn)/分的速度下所述多個(gè)磁極多于4個(gè)磁極。
38.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述裝置每極每相的槽溝數(shù)為大約0.5。
39.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述低損耗軟磁材料是非晶金屬。
40.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述低損耗軟磁材料是毫微晶金屬。
41.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述低損耗軟磁材料是Si-Fe合金。
42.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述磁場組件是轉(zhuǎn)子。
全文摘要
本發(fā)明一般地涉及電氣裝置，諸如電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、再生式電動(dòng)機(jī)，它具有由先進(jìn)的低損耗材料形成的纏繞定子磁芯，在推薦的實(shí)施例中，所述電氣裝置是一種軸向氣隙類型配置。本發(fā)明提供一種電氣裝置，它具有高極數(shù)，在高換接頻率下運(yùn)行，具有高效率和高功率密度。本發(fā)明采用的先進(jìn)低損耗材料包括非晶金屬、毫微晶金屬和優(yōu)化的Si－Fe合金。
文檔編號C22C21/00GK1842952SQ200480008612
公開日2006年10月4日 申請日期2004年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月31日
發(fā)明者A·D·希爾澤爾, J·A·戴, B·C·西蒙斯, M·R·約翰斯頓 申請人:萊特工程公司