專利名稱：帶有低損耗金屬轉(zhuǎn)子的高速永磁體電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的制作方法
帶有低損耗金屬轉(zhuǎn)子的高速永磁體電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求2008年4月17日提交的待定的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào) 61/045660(代理人案號(hào)10M-013)的優(yōu)先權(quán)。


參考附圖，通過(guò)以下某些示范性的實(shí)施方案的詳細(xì)描述，將更容易地理解多種 多樣的潛在實(shí)用的且有用的實(shí)施方案，其中
圖1是系統(tǒng)1000的示范性實(shí)施方案的透視剖視圖2是系統(tǒng)2000的示范性實(shí)施方案的透視剖視圖3是系統(tǒng)3000的示范性實(shí)施方案的透視圖4是系統(tǒng)4000的示范性實(shí)施方案的端視圖5是系統(tǒng)4000的在圖4剖面A-A取得的示范性實(shí)施方案的截面圖；以及
圖6是系統(tǒng)4000的在圖5剖面B_B取得的示范性實(shí)施方案的截面圖。
詳述
某些示范性的實(shí)施方案能提供適合于提供電機(jī)器(electric machine)的系統(tǒng)、機(jī) 器、設(shè)備、制造、電路、和/或方法，該電機(jī)器包括轉(zhuǎn)子，其包括多個(gè)稀土磁體， 稀土磁體通過(guò)套筒保持在所述轉(zhuǎn)子上，套筒通過(guò)帶保持，帶包括堆疊的多個(gè)墊圈疊片 (washer lamination)，每個(gè)所述墊圈疊片與相鄰的墊圈疊片電絕緣。
永磁體(PM)電動(dòng)機(jī)和/或發(fā)電機(jī)能用于很多要求大功率密度和/或高效率的應(yīng) 用中。因?yàn)殡姍C(jī)器的尺寸通常與它的轉(zhuǎn)矩能力是成比例的，在給定的功率等級(jí)，機(jī)器的 尺寸經(jīng)常能通過(guò)增加它的轉(zhuǎn)速而減小。所以，想要獲得大功率密度和/或高效率，經(jīng)常 需要永磁體機(jī)器的軸或轉(zhuǎn)子以大于10,000轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)，而且對(duì)于某些應(yīng)用，高達(dá) 100,000 轉(zhuǎn) / 分。
在無(wú)刷永磁體機(jī)器中，磁體通常位于轉(zhuǎn)子上，而且當(dāng)被旋轉(zhuǎn)時(shí)，在定子中產(chǎn)生 旋轉(zhuǎn)場(chǎng)。在某些永磁體機(jī)器中，兩個(gè)或更多個(gè)磁體能位于轉(zhuǎn)子的外徑(OD)上，而且/或 者能被徑向地極化，以至磁通在徑向方向上穿過(guò)轉(zhuǎn)子和定子之間的空氣間隙。這些機(jī)器 有時(shí)候被稱作徑向磁通機(jī)器(radialflux machine)。圖1顯示示范性的帶有高速轉(zhuǎn)子1100 的徑向磁通永磁體機(jī)器1000，該高速轉(zhuǎn)子1100被包括定子疊片1300和/或線圈繞組1400 的定子1200圍繞。
在某些示范性的實(shí)施方案中，永磁體機(jī)器能使用徑向磁通設(shè)計(jì)，其中四個(gè)磁弧 (magnet arc)安裝在轉(zhuǎn)子上，以產(chǎn)生四極磁場(chǎng)。定子則能被繞成三相四極機(jī)器。
對(duì)于低速機(jī)器，磁體能用粘合劑連結(jié)到轉(zhuǎn)子的外徑。然而，因?yàn)殡x心力隨著轉(zhuǎn) 速的平方而增加，所以在更高的速度下，這些力能要求磁體應(yīng)該用機(jī)械的方法保持在轉(zhuǎn) 子上。
如圖2所示，系統(tǒng)2000的某些示范性的實(shí)施方案能使用轉(zhuǎn)子2100，該轉(zhuǎn)子2100 并入稀土永磁體2500，例如釤鈷Mm-Co)和/或釹鐵硼(Nd-Fe-B) (Nd-Fe-B材料的磁場(chǎng)通常更高，但是Sm-Co經(jīng)常有更好的高溫特性)。
磁體2500能由包括堆疊的一段墊圈疊片2700的保持帶(containmentband)2800保持，其中疊片材料能是高強(qiáng)度鋼，例如Inconel ,具有大約150千磅/平方英寸到大約 200千磅/平方英寸的屈服強(qiáng)度，這取決于選擇的確切材料和/或確切條件，例如材料的 熱處理。磁性的(與非磁性的相對(duì))高強(qiáng)度鋼疊片能用作保持帶觀00，但是用這種材料 構(gòu)造的轉(zhuǎn)子的電磁性能可能由于磁損耗而實(shí)質(zhì)上會(huì)退化。
每個(gè)疊片2700能用薄的、絕緣涂層而與貼近的疊片電絕緣，其它疊片堆棧通常 這樣處理。第一示范性疊片的尺寸可以是大約2.06” OD, 1.87” ID,和/或疊片厚度 0.004”。第二示范性疊片的尺寸可以是大約6.22” OD, 5.67” ID,和/或疊片厚度 0.004”。
帶觀00能具有超過(guò)170千磅/平方英寸的屈服強(qiáng)度和/或超過(guò)1000F的最大溫 度能力。然而，因?yàn)閹в^00是分層的，所以由于渦電流引起的損耗是實(shí)心鋼帶的一小部 分。
套筒洸00可以位于磁體2500和分層帶2700之間，而且可以用來(lái)明顯暫時(shí)地 使磁場(chǎng)的較高階分量變?nèi)酰?dāng)稀土磁體的磁場(chǎng)與定子的狹槽相互作用時(shí)，這種情況會(huì)出 現(xiàn)。套筒沈00能由鋁構(gòu)造，而且/或者能具有大約35千磅/平方英寸到大約95千磅 /平方英寸的屈服強(qiáng)度，這能取決于選擇的確切材料和/或確切條件，例如材料的熱處 理。第一示范性套筒的尺寸可以是大約1.87” OD, 1.83” ID,和/或4.20”長(zhǎng)度。 第二示范性套筒的尺寸可以是大約5.67” OD, 5.58” ID,和/或6.70”長(zhǎng)度。
用于機(jī)械平衡的螺紋孔2300可以位于在轉(zhuǎn)子任一端上的端蓋2200中。端蓋2200 能由非磁性的、高強(qiáng)度鋼構(gòu)造，例如hiconel (鉻鎳鐵合金)718和/或Nitronic 60。第一 示范性端蓋的尺寸可以是大約1.96” OD, 1.05” ID,和/或0.20”厚度。第一示范 性端蓋的尺寸可以是大約5.93” OD, 3.50” ID,和/或0.40”厚度。螺釘(未顯示) 能插入在兩個(gè)端蓋2200中的一個(gè)或更多個(gè)孔2300中，以至轉(zhuǎn)子2100能動(dòng)態(tài)地沿著兩個(gè) 平面平衡。
大體上圓柱形的薄壁套筒狀轂MOO能位于轉(zhuǎn)子2100的外部圓周和磁體2500的 內(nèi)部圓周之間。轂MOO可以由磁性鋼構(gòu)造。
轉(zhuǎn)子2100能適合于以范圍從0轉(zhuǎn)/分到10,000轉(zhuǎn)/分，甚至到100,000轉(zhuǎn)/分 (包括所有值以及之間的子區(qū)間)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。第一示范性的具有2.06” OD的轉(zhuǎn)子能適 合于在60,000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。第二示范性的具有6.22” OD的轉(zhuǎn)子能適合于在20,000 轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。通常運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子表面速度可以是165m/s。
轉(zhuǎn)子2100可能遭受大約200F到大約400F的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度。盡管可能，但通常人們 不想在較高的高溫下連續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子2100，因?yàn)榇朋w2500可能消磁，盡管保持帶觀0 不 可能在實(shí)質(zhì)上高溫下失靈。
在運(yùn)轉(zhuǎn)中，某些示范性的實(shí)施方案與實(shí)體(非分層的)轉(zhuǎn)子金屬保持帶相比，能 減少渦電流的損耗超過(guò)大約75%。
圖3顯示系統(tǒng)3000的實(shí)心透視圖，該系統(tǒng)3000包括被轂3200大體上圓周地圍 繞的轉(zhuǎn)子3100，轂3200被磁體3300大體上圓周地圍繞，磁體3300被套筒3400大體上圓 周地圍繞，套筒3400被保持帶3500大體上圓周地圍繞。4
圖4顯示系統(tǒng)4000的端視圖，該系統(tǒng)4000包括轉(zhuǎn)子4100，轉(zhuǎn)子4100的一小部 分能被端蓋4200大體上圓周地圍繞，該端蓋4200可包括平衡孔4300的徑向分布陣列。
圖5顯示系統(tǒng)4000的在圖4剖面A-A取得的截面。系統(tǒng)4000可包括轉(zhuǎn)子4100， 轉(zhuǎn)子4100的小部分可被端蓋4200大體上圓周地圍繞。轉(zhuǎn)子4100的更大部分可被轂4400 大體上圓周地圍繞，轂4400可被磁體4500大體上圓周地圍繞，磁體4500可被套筒4600 大體上圓周地圍繞，套筒4600可被帶4700大體上圓周地圍繞。
圖6顯示系統(tǒng)4000的在圖5剖面B-B取得的截面。系統(tǒng)4000可包括轉(zhuǎn)子4100， 轉(zhuǎn)子4100可被被轂4400大體上圓周地圍繞，轂4400可被磁體4500大體上圓周地圍繞， 磁體4500可被套筒4600大體上圓周地圍繞，套筒4600可被帶4700大體上圓周地圍繞。
某些示范性的實(shí)施方案能提供一種機(jī)器，其包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子包括多個(gè)稀土 永磁體，該多個(gè)稀土永磁體通過(guò)圓柱形的套筒保持在所述轉(zhuǎn)子，圓柱形的套筒通過(guò)帶保 持，該帶包括堆疊的多個(gè)墊圈疊片，每個(gè)所述墊圈疊片與相鄰的墊圈疊片電絕緣；相對(duì) 的一對(duì)端蓋，該相對(duì)的一對(duì)端蓋適合于將所述堆疊的多個(gè)墊圈疊片軸向地保持在所述轉(zhuǎn) 子上；和/或相對(duì)的一對(duì)端蓋，該相對(duì)的一對(duì)端蓋適合于將所述堆疊的多個(gè)墊圈疊片軸 向地保持在所述轉(zhuǎn)子上，所述端蓋中的至少一個(gè)包括螺紋孔，該螺紋孔適合于接納相應(yīng) 的螺紋緊固件，該螺紋緊固件適合于連結(jié)平衡重量，該平衡重量適合于有利于所述轉(zhuǎn)子 的兩平面動(dòng)態(tài)平衡；其中所述圓柱形的套筒適合于減弱轉(zhuǎn)子中的磁場(chǎng)的暫時(shí)變化， 該暫時(shí)變化由所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)所述多個(gè)稀土磁體與所述機(jī)器的定子的狹槽相互作用而產(chǎn) 生；所述稀土磁體包括釤鈷；所述稀土磁體包括釹鐵硼；所述墊圈疊片每個(gè)具有至少 170千磅/平方英寸的屈服強(qiáng)度；所述墊圈疊片每個(gè)包括鉻鎳鐵合金；所述墊圈疊片每個(gè) 具有至少1000F的最大溫度能力；所述多個(gè)磁體被徑向地極化；所述機(jī)器是徑向磁通機(jī) 器；所述轉(zhuǎn)子適合于以大于10,000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；所述轉(zhuǎn)子適合于以大于100,000轉(zhuǎn) /分的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；所述機(jī)器是電動(dòng)機(jī)；以及/或所述機(jī)器是發(fā)電機(jī)。
定義
當(dāng)在此大體上使用下列術(shù)語(yǔ)時(shí)，所附定義適用。這些術(shù)語(yǔ)和定義被無(wú)偏見地 提供，而且與本申請(qǐng)一致，通過(guò)在本申請(qǐng)或任何在此要求優(yōu)先權(quán)的申請(qǐng)的執(zhí)行期間的修 改，重新定義這些術(shù)語(yǔ)的權(quán)利被保留。為了解釋在此要求優(yōu)先權(quán)的任何專利的權(quán)利要 求，在該專利中的每個(gè)定義起到清楚且不模棱兩可的否定在該定義之外的主題的功能。
一個(gè)-至少一個(gè)。
活動(dòng)-行動(dòng)、行為、步驟、和/或過(guò)程或及其部分。
適合于-使合適或配合具體的使用或情形。
和/或-連同或可選擇。
裝置-用于特定的目的的器具或設(shè)備。
能-能夠，在至少某些實(shí)施方案中。
電路-導(dǎo)電路徑和/或通訊連接，其被建立在由網(wǎng)絡(luò)包含的兩個(gè)或更多個(gè)交換設(shè) 備兩端，而且在相應(yīng)地連接到網(wǎng)絡(luò)，但是不被網(wǎng)絡(luò)包含的終端系統(tǒng)之間。
包含-包括但不限于。
含有-包括但不限于。
設(shè)備-一種機(jī)器、制造、和/或及其集合。
具有-包括但不限于。
包括-包括但不限于。
可以-被允許或許可，在至少某些實(shí)施方案中。
方法-一種或多種行為，其在主題上實(shí)行，以變換為不同的狀態(tài)或東西和/或依 賴于特定的裝置，所述一種或多種行為不是基本原理而且不先占基本原理的全部使用。
多個(gè)-復(fù)數(shù)的狀態(tài)和/或多于一個(gè)。
預(yù)定的-預(yù)先建立的。
概率-發(fā)生的可能性的數(shù)量表示。
重復(fù)地-反復(fù)不止地；重復(fù)地。
套-相關(guān)的多個(gè)。
基本上-很大范圍或程度上。
系統(tǒng)-機(jī)構(gòu)、設(shè)備、機(jī)器、制造的物品、過(guò)程、數(shù)據(jù)、和/或指示的集合，該集 合設(shè)計(jì)用來(lái)執(zhí)行一種或多種具體功能。
變換-可測(cè)量的變化；形式、外觀、性質(zhì)、和/或特性。
通過(guò)-經(jīng)由和/或利用。
權(quán)重-重要性指示數(shù)值。
注釋
在此文字地和/或圖形地描述了所要求主題的不同的大體且具體地實(shí)際且有用 的示范性實(shí)施方案，若有的話，包括對(duì)發(fā)明人已知用于實(shí)現(xiàn)所要求主題的最佳方式。在 此描述的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施方案的變形(例如，修改和/或增強(qiáng))，可能對(duì)閱讀本申請(qǐng)的 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員很明顯。發(fā)明人希望技術(shù)人員恰當(dāng)?shù)厥褂眠@些變形，而且發(fā)明人打 算除了以在此具體地描述的方式之外的方式實(shí)踐所要求主題。因此，如法律允許，所要 求主題包括和覆蓋所要求主題的全部等同物和所要求主題的全部改進(jìn)。此外，上面描述 的元件、活動(dòng)及其所有可能變形的每個(gè)組合被所要求主題包含，除非在此另有清楚地指 示、清楚和具體地否認(rèn)、或上下文另有清楚地反駁。
在此提供的任意和全部例子的使用，或示范性語(yǔ)言(例如“例如”)僅僅是為 了更好闡明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，而不對(duì)任何所要求主題的范圍強(qiáng)加限制，除非另有說(shuō) 明。說(shuō)明書中沒(méi)有語(yǔ)言應(yīng)被理解為指示任何非要求主題對(duì)所要求主題的實(shí)踐是必要的。
所以，不管本申請(qǐng)的任何部分(例如，標(biāo)題、領(lǐng)域、背景、概述、描述、摘 要、附圖等)的內(nèi)容，除非清楚地具體指定為相反，例如通過(guò)明確定義、斷言、或論 證、或上下文清楚地反駁，關(guān)于任何權(quán)利要求，不管是本申請(qǐng)還是在此要求優(yōu)先權(quán)的任 何申請(qǐng)的任何權(quán)利要求，以及不管是原本提出的還是其他方面的
對(duì)于包含任何特定描述的或說(shuō)明的特性、功能、活動(dòng)、或元件、活動(dòng)的任何特 定順序、或元件的任何特定相互關(guān)系，沒(méi)有要求；
沒(méi)有特性、功能、活動(dòng)、或元件是“必要的”；
任何元件能合并、分開、和/或復(fù)制；
任何活動(dòng)能重復(fù)、任何活動(dòng)能由多個(gè)實(shí)體執(zhí)行、和/或任何活動(dòng)能在多個(gè)管轄 內(nèi)執(zhí)行；以及
任何活動(dòng)或元件能具體地排除、活動(dòng)的順序能改變、和/或元件的相互關(guān)系能改變。
術(shù)語(yǔ)“一(a)”、“一(an)”、“所述”、“該”的使用，和/或在描述不同實(shí)施方案的內(nèi)容中(特別在所附權(quán)利要求中的內(nèi)容中)的類似指示詞，被理解為覆蓋單 數(shù)和復(fù)數(shù)，除非在此另有清楚地指示或上下文清楚地反駁。術(shù)語(yǔ)“包含”、“具有”、 “包括”和“含有”被理解為開放式術(shù)語(yǔ)(即，意味著“包括但不限于”)，除非另有注釋。
此外，當(dāng)任何數(shù)量或范圍在此描述時(shí)，除非清楚地說(shuō)明，否則該數(shù)量或范圍是 大約的。在此值的范圍的詳述僅僅是為了作為單獨(dú)地查閱屬于此范圍內(nèi)的每個(gè)單獨(dú)值的 速記方法，除非在此另有指示，而且每個(gè)單獨(dú)值和由這樣的單獨(dú)值限定的每個(gè)單獨(dú)的子 區(qū)間并入到說(shuō)明書中，好像它在此被單獨(dú)地詳述。例如，范圍1到10被描述，該范圍包 括其間的全部值，就像例如，1.1、2.5、3.335、5、6.179、8.9999等，而且包括其間的全 部子區(qū)間，就像例如，1到3.65，2.8到8.14，1.93到9等。
當(dāng)任何權(quán)利要求的元件后面有圖的元件號(hào)碼時(shí)，該圖的元件號(hào)碼是示范性的并 且不限制權(quán)利要求范圍。本申請(qǐng)沒(méi)有權(quán)利要求要援引35 USC 112的第六段，除非精確的 短語(yǔ)“用于...的裝置”后面有動(dòng)名詞。
在此通過(guò)引用并入的任何材料(例如，美國(guó)專利、美國(guó)專利申請(qǐng)、書、文章等) 中的任何信息僅僅是通過(guò)引用并入，從而無(wú)沖突存在于這樣的信息和其它陳述和在此提 出的附圖之間。萬(wàn)一發(fā)生這樣的沖突，包括將致使在此的任何權(quán)利要求無(wú)效或?qū)ふ抑?此的優(yōu)先權(quán)的沖突，那么這樣的材料中任何這樣的沖突信息將不在此通過(guò)引用明確地并 入。
因此，除權(quán)利要求自身之外，本申請(qǐng)的每個(gè)部分(例如，標(biāo)題、領(lǐng)域、背景、 概述、描述、摘要、附圖等)在本質(zhì)中被看成說(shuō)明性的，而不是限制性的，而且基于本 申請(qǐng)爭(zhēng)論的任何專利保護(hù)的主題范圍僅由該專利的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)器，包括轉(zhuǎn)子，其包括多個(gè)稀土永磁體，所述多個(gè)稀土永磁體通過(guò)圓柱形的套筒保持在所述 轉(zhuǎn)子上，所述圓柱形的套筒通過(guò)帶保持，所述帶包括堆疊的多個(gè)墊圈疊片，每個(gè)所述墊 圈疊片與相鄰的墊圈疊片電絕緣。
2.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器，還包括相對(duì)的一對(duì)端蓋，其適合于將所述堆疊的多個(gè)墊圈疊片軸向地保持在所述轉(zhuǎn)子上。
3.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器，還包括相對(duì)的一對(duì)端蓋，其適合于將所述堆疊的多個(gè)墊圈疊片軸向地保持在所述轉(zhuǎn)子上， 所述端蓋中的至少一個(gè)包括螺紋孔，所述螺紋孔適合于接納相應(yīng)的螺紋緊固件，所述螺 紋緊固件適合于連結(jié)平衡重量，所述平衡重量適合于有利于所述轉(zhuǎn)子的兩平面動(dòng)態(tài)平
4.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器，其中所述圓柱形的套筒適合于減弱所述轉(zhuǎn)子中的磁場(chǎng)的暫時(shí)變化，所述暫時(shí)變化由所述 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)所述多個(gè)稀土磁體與所述機(jī)器的定子的狹槽相互作用而產(chǎn)生。
5.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器，其中 所述稀土磁體包括釤鈷。
6.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器，其中 所述稀土磁體包括釹鐵硼。
7.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器，其中所述墊圈疊片每個(gè)具有至少170千磅/平方英寸的屈服強(qiáng)度。
8.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器，其中 所述墊圈疊片每個(gè)包括鉻鎳鐵合金。
9.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器，其中所述墊圈疊片每個(gè)具有至少1000F的最大溫度能力。
10.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器，其中 所述多個(gè)磁體被徑向地極化。
11.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器，其中 所述機(jī)器是徑向磁通機(jī)器。
12.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器，其中所述轉(zhuǎn)子適合于以大于10,000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
13.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器，其中所述轉(zhuǎn)子適合于以大于100,000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
14.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器，其中 所述機(jī)器是電動(dòng)機(jī)。
15.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器，其中 所述機(jī)器是發(fā)電機(jī)。
全文摘要
某些示范性的實(shí)施方案能提供適合于提供電機(jī)器的系統(tǒng)、機(jī)器、設(shè)備、制造、電路、和/或方法，該電機(jī)器包括轉(zhuǎn)子，其包括多個(gè)磁體，該多個(gè)磁體通過(guò)套筒保持在所述轉(zhuǎn)子上，該套筒通過(guò)帶保持，帶包括堆疊的多個(gè)墊圈疊片，每個(gè)所述墊圈疊片與相鄰的墊圈疊片電絕緣。
文檔編號(hào)F02N11/04GK102027227SQ200980117678
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2009年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月17日
發(fā)明者克里斯多佛·索托萊, 維克托·伊安娜洛, 羅伯特·杰特·菲爾德 申請(qǐng)人:森克羅尼公司