專利名稱：低成本、高效率電動發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在電和機械之間進行能量轉(zhuǎn)換的電子機械，尤其是關(guān)于一種低成本、高效率的電動發(fā)電機，該發(fā)電機采用低成本的電樞繞組結(jié)構(gòu)，具有效率高和易操作、快速纏繞和組裝的特點。
背景技術(shù)：
在大多數(shù)國家，電機消耗了一半以上的電力。目前所采用電機的大多是感應電機。感應電機運行簡單可靠，成本較低。然而，感應電機的效率并非最高。
在一些用途中，電動機和發(fā)電機必須持續(xù)或接近持續(xù)運行。在此過程中，每年的電力消耗成本比電動機購置成本要高出數(shù)倍。提高用于這些用途的電機效率可產(chǎn)生重大的經(jīng)濟效益。
另一種電機無刷永磁電機具有比感應電機更高的效率。因為永磁電機中的場通量是由磁力而非感應電機中的受激電子線圈構(gòu)成，因而運行效率更高。可惜的是，傳統(tǒng)的無刷永磁電機比感應電機的價格昂貴許多。而且除了在其功能效益必需的地方，它提高的效率和節(jié)省的成本并不能彌補它的高費用，因而并不是經(jīng)濟可行的替代品，一種提高無刷永磁電機效率的方法是通過停止使用其構(gòu)造中的電子疊片結(jié)構(gòu)來消除疊片結(jié)構(gòu)中的渦電流和滯后損失。在這種電機中，電樞由空心的繞組而非纏繞進疊片組織的狹槽中的線圈組成。這種構(gòu)造還有益于減少繞組電感以提高快速運作。因此，這種電機很小，通常用于照相機、牙鉆、調(diào)速輪能量儲備系統(tǒng)和專門用途的補助馬達間接變速裝置。然而，盡管它們可能會提高效率，空心永磁無刷電機需要使用更多的磁原料，采用的電樞則更加費時、昂貴和難以組裝。此外，一些構(gòu)造也會致使電樞損耗增加和減少潛在的能源效率收益。為此，這種電機尚未取代感應電機廣泛用于商業(yè)用途。
因此，市場上需要一種新的高效率、低成本的電動發(fā)電機來廣泛用于商業(yè)用途。這種電動發(fā)電機應該具有更高的效率和商業(yè)吸引力來替代感應電機和其他各種類型的電機，并且還能減少用電成本。
發(fā)明簡介本發(fā)明提供了一種低成本、高效率的電動發(fā)電機。通過使用一種空心布局的特殊的低成本電樞繞組結(jié)構(gòu)，該電動發(fā)電機同時達到了高效率和低成本兩個目標。這種結(jié)構(gòu)可以更容易、快捷地繞圈和組合。
該電機包括一個圍繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子和一個固定不動并與轉(zhuǎn)子因磁力互相作用的定子。轉(zhuǎn)子由兩個以定距離間隔的轉(zhuǎn)子部件組成，它們之間有個電樞空氣隙，固定的空心電樞就在此處。轉(zhuǎn)子部件上的磁極驅(qū)動磁通量經(jīng)過電樞空氣隙并穿過電樞。轉(zhuǎn)子部件提供了低磁阻、高效率的磁通量通道以連接磁通量在空氣隙中來回流通。轉(zhuǎn)子部件更適宜由諸如鋼鐵等的鐵磁原料構(gòu)成，可以減少磁通量通道的圓周磁阻，并增加整體的通量密度、功率電容和效率。
應當指出，在過去，一些特殊用途的電動發(fā)電機結(jié)構(gòu)只用一個單獨的轉(zhuǎn)子面在一個空心電樞的一面起作用。這種設計的好處是可以簡化組裝并具有在一些特殊用途中可接受的性能，尤其是高速度，由于高速運轉(zhuǎn)，只需要很低的磁通密度來生產(chǎn)高能量。然而，依照本發(fā)明，為了最大的功率電容和效率，應用了一個分裂式轉(zhuǎn)子圍繞兩端的空心電樞。尤為適用于低速度、高消耗的典型的感應電機中。
本發(fā)明的電機中的定子有一個空心電樞，位于磁空氣隙中。空心電樞的繞組纏繞在一個繞組模板上，用于提供簡化的纏繞電樞過程。通過應用繞組纏繞上模板，纏繞步驟既簡單又快捷。模板由完全無磁性、低導電的材料組成，并有一個延伸至轉(zhuǎn)子的活動點和連接到電機固定部分的支撐點。在磁通量流經(jīng)磁空氣隙的方向，模板上有一個薄薄的支撐部分和一個較厚的突起部分。通過在突起部分之間嵌入金屬絲，繞絲纏繞上模板。在纏繞過程中，模板為繞絲提供位置和支持，并幫助隨后繞組上的電磁感應扭矩通過模板上的支撐點向電機上的固定部分傳輸或與之產(chǎn)生反應，還防止繞組在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動期間與轉(zhuǎn)子部件接觸。在工作長度區(qū)間應用模板上的突出部分可以呈圓周狀地控制金屬絲。
在選擇模板材料的材料性能上的一個考慮是防止磁極旋轉(zhuǎn)和繞組電流中模板上重要的渦流損失的發(fā)展，以避免在電動機中產(chǎn)生廢熱和浪費能源。在用于高效率的電機中，模板上的損失需低于1％，若低于0.1％則更好。模板的低電流傳導材料應具有超過1×10-6ohm-m的電阻系數(shù)，最好超過0.001ohm-m。塑膠材料是一類很好的材料，具有足夠的力度和溫度傳送磁力引起的作用于繞組上的動力。為熱反射或防護，在模板表層增加一層薄薄的傳導性材料構(gòu)成的薄膜、薄層或金屬箔片并不會改變在空氣隙中模板材料中大多數(shù)部分的電阻系數(shù)，也不會促使重要渦流損失。因此，這一傳導薄膜將構(gòu)成本項發(fā)明的另一方面。
模板材料的附加優(yōu)越性能是完全無磁性。目的是防止性能在重要圓周方向的通量中滲透出模板時的損失。更佳的是，模板材料的相對磁性滲透低于100，最好是低于3。同樣，塑膠類材料是符合標準的好材料之一。
以往傳統(tǒng)的空心電動發(fā)電機是將電樞繞組分別纏繞，然后將它們一起裝配在電樞周圍，并壓縮線圈至最小厚度以密封。而根據(jù)本發(fā)明制造的電樞與以往不同，首先制造模板，然后直接將線圈纏入線圈模板，簡化了組裝過程。然后就可以在模板上輕松安裝電樞和繞組，直接接入電動發(fā)電機。
根據(jù)本發(fā)明，繞組模板有幾處重大的缺陷，并一般被認為是在電樞制造技術(shù)中的不吸引人的一方面。對于電機中一特定數(shù)量的昂貴磁性材料來說，空心電動發(fā)電機的功率電容和效率直接關(guān)系到電樞的繞組密度。因此，設計者通常尋求盡量加大電樞的繞組密度和縮小所需的空氣隙厚度。磁空氣隙越小，磁通量越大，因而產(chǎn)生越高的效率和功率電容。電樞繞組的繞組模板占據(jù)了磁空氣隙中的實質(zhì)性空間，若按傳統(tǒng)技術(shù)制造，該部分會滿是額外的繞組。與無模板的構(gòu)造相比，模板支撐部分所在的空間增加了朝磁通量方向的厚度，而突出部分則減少了呈圓周狀圍繞電樞的繞組數(shù)量。較低的繞組密度和單一的電樞模板組合就是大的電樞，根據(jù)本項發(fā)明，可以利用組合或疊合在磁空氣隙中的多重模板。疊合電樞模板構(gòu)造可以使在每一層只有單相纏繞，最終形成一個大的繞組點和更大的電阻損耗。
盡管由于降低電樞繞組密度而產(chǎn)生了一些缺陷，根據(jù)本發(fā)明制造的電機卻是個令人驚嘆的很有吸引力的構(gòu)造和制造技術(shù)。雖然降低的電樞繞組密度確實需要增加一些磁力材料和磁力成本以達到與其他電機同樣的高功率水平和效率，這項增加的磁力成本卻大大少于通過簡化電樞生產(chǎn)節(jié)省的生產(chǎn)成本節(jié)余，并減少了總體生產(chǎn)時間。下面將要闡釋，任何降低的效率也都由模板繞組的其他特點進行了補償。
繞組纏繞的模板最好由完全無磁、低導電的材料制成，如尼龍、改性聚苯醚(Ultem)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)或是纖維增強塑料。也可以由熱聚合物、玻璃陶瓷等陶瓷或其他易生產(chǎn)、不貴重的合適材料，例如通過加工、擠壓、澆筑、塑成，從而提供足夠的力量支持作用于特定型號的電動機或發(fā)電機繞組上的力量。一般認為，熱導電聚合物導熱性超過1W/Mk。這種材料可以提高從繞組經(jīng)由模板到電樞空氣隙中的對流冷卻的熱能傳送。這種模板的首選生產(chǎn)技術(shù)是噴射模塑法，因為它快捷、成本低，而且可輕易地形成復雜的管道建設。
本發(fā)明的一個實施例中，模板表層有安置金屬絲的管道。管道為繞組提供了構(gòu)造上的支持，并在纏繞過程中更好地將繞組控制在模板的恰當位置。特別是對于大型、高速或高磁極的電機，流經(jīng)旋轉(zhuǎn)導體的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電流中渦流損失會非常大。為將損失減到一個較低的水平，繞組上最好采用絞合線或由多種本身絕緣的線擰成的線。由于減小了彎曲的僵硬度，擰在一起的線更容易繞成大的線。然而，由于絞合線繞組比實心線繞組柔軟百倍或百倍以上，除非以某種方式強迫，否則它不會保持在需要的地方。因此，采用前面的方法用絞合線纏繞空心電樞會很困難。纏繞的線圈或繞組會從需要的纏繞方式中彈開，令制作變得困難。然而，根據(jù)本發(fā)明在模板上纏繞絞合線繞組可輕易完成，因為在把線按入管道之后，管道會在恰當?shù)奈恢脤⑺劬o。在本發(fā)明的一更佳實施例中，管道夾緊線并緊緊固定。其他減少損失的構(gòu)造可由平行聯(lián)結(jié)的方形或帶狀的絕緣線在工作長度區(qū)間內(nèi)根據(jù)各自的長度聯(lián)結(jié)纏繞。再次，在纏繞過程中，這些繞組的高彈力在模板箝位上占據(jù)了實質(zhì)性的優(yōu)勢。繞組產(chǎn)生的效率超過了由模板導致的低纏繞密度造成的效率損失。
多條線可以安置在同一個纏繞管道內(nèi)，也可以每條線安置在各自不同的管道內(nèi)。單獨的管道可以提供更好的支持，因為一組線在同一個管道中可能會在中間部分向外突出，因而變松，但由于他們的構(gòu)造和位置，單獨管道也可能會進一步減小纏繞密度。當?shù)蛯щ娔０迳系南噜復怀霾糠珠g隔與一條線的寬度相近時，單獨管道便形成了。為最易纏繞和生產(chǎn)，電樞中最好每條管道只有一條線。在把線嵌入管道時，在其直徑橫截面處嵌入以將其控制在適當?shù)胤?。對于絞合線繞組來說，在嵌入適當位置時會受到輕度擠壓。
管道或模板表面的特點允許快速可靠的電樞纏繞。與其他生產(chǎn)方式不同，纏繞線不需要通過各種孔洞或開口。繞組只需簡單地按入或嵌入模板表面正確的管道即可。纏繞過程可以使用自動化機器，也可以簡單可靠地由人手工使用手壓滾筒把繞組纏入恰當?shù)墓艿乐?。模板可由機器加工出管道或表面特征，或為了大批量生產(chǎn)，也可以用噴射模塑法制造。
本發(fā)明更進一步的優(yōu)點在于可以用高度的精密纏繞電樞。與其他構(gòu)造的手工纏繞不同，模板的表面特點通過在纏繞過程中為線路提供確切的位置，方便了纏繞，從而阻止了纏繞錯誤和失誤的產(chǎn)生。在多元相的電動發(fā)電機中，不正確的線圈放置可能會發(fā)生在纏繞、排列、裝配、密封過程中，而這一創(chuàng)新的纏繞過程則避免了這種情況。不會發(fā)生相電壓或角度不平衡，進一步提高了性能。
在需要時，電動發(fā)電機也可以方便繞組的置換。傳統(tǒng)狹槽纏繞電樞繞組是用環(huán)氧樹脂粘合進電機疊片結(jié)構(gòu)和機殼中，與傳統(tǒng)方法不同，根據(jù)本發(fā)明，電樞，甚或電樞的任何部分可以根據(jù)需要打開、移除或替換。
根據(jù)所需的纏繞式樣，模板上管道或表面線路控制特點可以用數(shù)種方法制造。繞組可由線圈組成，最好則是做成一條環(huán)圓周的蜿蜒的通道。各條管道構(gòu)成一個完成的管道系統(tǒng)，可以完全接收整個模板表面的纏繞的線路。這種方法提供了最大的結(jié)構(gòu)支持，也保證了繞組相鄰拐角處的絕緣。裸露的絞合線更易壓縮，可在需要時使用。然而，一個完全管道的使用會減少可能的纏繞密度，尤其是對于軸向空隙電動發(fā)電機。為防止進一步減小可能的纏繞密度，降低機械模板的成本，管道設計突出部分可以從模板延伸至幾個選定的部分，如在工作長度區(qū)間中的一部分，或只在靠近工作長度區(qū)間端部的位置。模板表面不完全的管道覆蓋會輕微地增加纏繞的難度，但與提高纏繞密度這一好處相比，這種難度增加一般是微不足道的。
許多電動發(fā)電機使用三相結(jié)構(gòu)裝置。根據(jù)本發(fā)明，如果忽略掉端部轉(zhuǎn)彎管道，所有的三相都可以纏繞到一個單獨的管道?？蛇x地，在一更佳實施例中，每一相都分別纏繞到單獨的管道中。模板隨后軸向堆疊在一起，在角部方向移動以組成多位相軸向空隙電動發(fā)電機。對于徑向空隙電動發(fā)電機，一個或多個模板應在一個薄墻組成的圓筒狀的模板中，并帶有數(shù)條徑向突出管道。在大多數(shù)情況下，軸向空隙的結(jié)構(gòu)是最容易和最經(jīng)濟的，因而是條件許可下的首選。如環(huán)氧樹脂等的黏合劑可以應用于纏繞模板，以增加疊合結(jié)構(gòu)中電樞的結(jié)構(gòu)完整性。若需要結(jié)構(gòu)更加完整，也可以用真空樹脂注入法裝配電樞。然而，這可能會增加成本和生產(chǎn)時間，在很多情況下可能沒有必要。
慮及多重電樞模板的疊合或裝配，在一個單一模板線路纏繞重合部分，模板的支撐部分最好省掉。這種重合通常都是線路輸入、輸出與電樞聯(lián)結(jié)的結(jié)果。多重模板最好在同一個區(qū)域省掉支撐部分，以使重合不會阻礙有秩序的疊合。
在許多情況下，電機結(jié)構(gòu)每相使用多重線路，因此多重線路電力上串聯(lián)而機械上并行繞直徑蜿蜒。多重線路可能一次沿一條通道繞直徑而行組成繞組，那時便適當?shù)剡B接到一起，因而連續(xù)的轉(zhuǎn)彎使電力上串聯(lián)。在一較佳實施例中，繞組最好由一條線纏繞，或少于線的總數(shù)，在直徑處有幾個轉(zhuǎn)彎。這種方法消除了多重內(nèi)纏繞連接并提高了生產(chǎn)速度。這種纏繞技術(shù)類型可能會在單獨的纏繞管道中適用，因而每個通道圍繞直徑的轉(zhuǎn)彎位置都被確定，并控制在恰當?shù)牡胤健?br> 盡管電動發(fā)電機可以應用于許多使用電動機和發(fā)電機的場合，它特別適用于連續(xù)或接近連續(xù)運行的用途。其中一個首選的用途是用來產(chǎn)生氣流的風扇或吹風機。一個特別的用途是打掃房間。在這些或類似的用途中，與當前使用的標準的感應電機相比，用電動發(fā)電機可以真正地省電。與其他無刷永磁電動機相比，電動發(fā)電機的低成本是商業(yè)上可行、成本上有效的替代品。除了效率高和擁有其他電機的優(yōu)點之外，這種電動發(fā)電機的好處還包括充分地減小了型號，減輕了重量，減少了噪音。
本發(fā)明的另一方面在于，可以通過在纏繞電樞之前壓縮絞合線，可以增加纏繞密度并令裝配更加簡單。若模板上的管道橫截面是矩形，可以提前壓縮絞合線成能夠匹配的矩形或接近矩形的橫截面。這一過程可以在線路生產(chǎn)過程中通過固定鍛造滾筒的使用來實現(xiàn)。滾筒在經(jīng)過的線上進行高速的瞬間壓縮，因此極大地緊密了線束。之后矩形線便可以纏繞、嵌入管道中。在整個電樞上可能很少或不再需要進一步的緊密壓縮。在纏繞過程中應小心將線定好方位嵌入管道中，線軸最好支撐旋轉(zhuǎn)以防止在纏繞過程中線路扭曲。
帶有管道的低導電模板可由幾種方法制作而成，包括用塑料坯件加工、塑型，或通過澆鑄，如壓模和注模等手段。用注模手段可以用低單位成本生產(chǎn)出大量的產(chǎn)品。在首選實施例中，優(yōu)先使用壓模方式，其后使用纏繞電樞方式制作模板。為便于提高傳熱能力，需要時可用熱傳導聚合物制造模板。不論模板的導熱系數(shù)如何，為了固定機殼，固定電動發(fā)電機模板的裝備應配有調(diào)節(jié)電樞熱膨脹的配件。這種配件可以包括特大型的固定孔，徑槽或一個有彈性的或柔韌的接線。這種配置防止模板中由于運作產(chǎn)生的潛在的有害壓力和模板的相對熱膨脹。
多相電動發(fā)電機可以在每一相上安裝一個模板，使模板多層次、有角度地分布來滿足對相的數(shù)目的需求，也可以多相共用一個模板。每種方法都是為了不同的用途和設計而具有不同的特性。例如，在一個徑向空隙電動發(fā)電機中，通過避免不同相上各個不同半徑的圓筒擠在一起，只用一個單獨的模板具有簡單的優(yōu)點。當多個相共用一個模板時，作為增加的性能，可用端部轉(zhuǎn)彎重疊使朝磁空氣隙方向的工作長度區(qū)間比端部轉(zhuǎn)彎處薄一些。
根據(jù)機器的設計、運行參數(shù)和成本不同，可以制造出多種纏繞模式。在某些情況下，通過繞組間距提高電動發(fā)電機的功率是可行的。本發(fā)明的另一實施例是，在工作長度區(qū)間可以呈圓周狀地使相的繞組間距比在磁極點周圍均一地圓周分布更緊密。這種結(jié)構(gòu)將更多的繞組靠近磁極中心部分以更刺激電壓，而將更少的繞組安置在磁內(nèi)滲漏區(qū)。
至于徑向空隙電機，模板可由徑向突出管道組成的管子和一個薄薄的支撐部分構(gòu)成。為便于安裝轉(zhuǎn)子和電樞，電樞兩端的端部轉(zhuǎn)彎處最好向相反的方向徑向延伸。這樣便于將電樞插入轉(zhuǎn)子和安裝磁體。為求簡單，管狀模板的支撐部分可以制作成允許繞組的端部放射狀地向空心電樞的活動端延伸。方法之一是省掉模板在活動端端部的支撐部分。轉(zhuǎn)子和定子的安裝可以通過將磁體連接到外部的轉(zhuǎn)子管，電樞軸向滑入轉(zhuǎn)子，然后磁體軸向滑到內(nèi)部的轉(zhuǎn)子部件上。另外，也可在將磁體與轉(zhuǎn)子連接之前將它連接到內(nèi)部的轉(zhuǎn)子部件，然后，在電樞嵌入外部轉(zhuǎn)子管之后，可將帶有磁體的內(nèi)部轉(zhuǎn)子部件嵌入電樞并與轉(zhuǎn)子連接。
徑向空隙電機的另一方面是可以用電樞纏繞壓緊方法?？蓪⒗@組纏繞進模板外部表面的管道中。用拉金的包裝材料，如細絲、帶子等圓周狀繞緊模板。包裝材料可以將繞組擠壓進管道，形成一個精確尺寸、高密度的空心電樞。
本發(fā)明的又一實施例在于，軸向空心電機可以滿足易纏繞、高絕緣強度、高密度和易組裝的要求。每個模板只有一個相，各個模板軸向疊合在一起構(gòu)成多相電樞。為避免重疊，實現(xiàn)平面疊合，模板上最好有軸孔供繞組纜心線從模板進出。最好的版本是，繞組沿蜿蜒的通道纏繞，而多重線路的蜿蜒纏繞則通過繞模板多次沿圓周方向纏繞實現(xiàn)。在這個結(jié)構(gòu)中，每個單相線圈只有兩條線一個端點需要使用軸孔進出以防止重疊。為了簡便，也可以使用兩個端點的軸孔供所有線路從一個軸面進出電樞。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是繞組可以在整個電樞上都得到支持。此外，管道可以使所有的繞組絕緣隔離。這樣便可以使用更柔韌、更易壓縮的絞合線。
本發(fā)明可以用在型號大小不一的電動機和發(fā)電機上。對于特大型的電動發(fā)電機，例如大型渦輪發(fā)電機，可用較易生產(chǎn)的多重圓周截面制作電樞模板。然后可以將截面組裝并以電力連接形成一個大的電樞，否則若將它作成單獨一塊，便既不實用也不經(jīng)濟。這種電動發(fā)電機的用途包括固定和流動兩種，而無論在何種情況下高效率、高性能和低成本都是受歡迎的，包括工業(yè)生產(chǎn)電動機，制造業(yè)，各種電動車輛和輪船推動力。
附圖描述在看過如下圖文結(jié)合的詳細介紹后，可以更好地了解本項發(fā)明及附帶的各種特點和優(yōu)點。其中

圖1A是一個帶有單面轉(zhuǎn)子的無刷永磁電機的部分正面示意圖。
圖1B是一個帶有單面轉(zhuǎn)子和鐵磁護鐵的無刷永磁電機部分正面示意圖。
圖1C是一個帶有雙面轉(zhuǎn)子和鐵磁護鐵的無刷永磁電機部分正面示意圖。
圖1D是一個帶有兩端有磁鐵的雙面轉(zhuǎn)子和鐵磁護鐵的無刷永磁電機部分正面示意圖。
圖2是一個對比1A-1D結(jié)構(gòu)的馬力能力圖表。
圖3A是根據(jù)本發(fā)明制造的軸向空隙無刷永磁電機的正面示意圖。
圖3B是圖3A中根據(jù)本發(fā)明制作的無刷電機的一半，一個轉(zhuǎn)子的平面示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明制作的無刷永磁電機的圓周截面的部分正面示意圖。
圖5是另一個根據(jù)本發(fā)明制作的無刷永磁電機結(jié)構(gòu)圓周截面的部分正面示意圖。
圖6是一個根據(jù)本發(fā)明制作的無刷永磁電機的從圓周方向觀看徑向切面的部分正面示意圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明制作的另一結(jié)構(gòu)的無刷永磁電機的徑向切面的圓周的部分正面示意圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明制作的第二可換結(jié)構(gòu)的無刷永磁電機的徑向切面的圓周的部分正面示意圖。
圖9是一個根據(jù)本發(fā)明制作的第二可換結(jié)構(gòu)的無刷永磁電機的圓周切面的徑向部分正面示意圖。
圖10A是圖9中無刷電機中電樞的相疊合示意圖。
圖10B是圖9中無刷電機中電樞的相疊合示意圖。
圖11是根據(jù)本發(fā)明制作的無刷電機中電樞的生產(chǎn)過程平面示意圖。
圖12是個別纏繞的電動機和根據(jù)本發(fā)明制造的電動機生產(chǎn)成本對比示意圖。
圖13是根據(jù)本發(fā)明制造的無刷電機電樞繞組平面示意圖。
圖14是根據(jù)本發(fā)明制造的無刷電機中一可替換結(jié)構(gòu)的電樞繞組平面示意圖。
圖15是根據(jù)本發(fā)明制造的無刷電機中第二可替換結(jié)構(gòu)中電樞繞組部分平面示意圖。
圖16是帶有根據(jù)本發(fā)明制造的無刷電機的風扇示意圖。
圖17是一個帶有根據(jù)本發(fā)明制造的無刷電機的可替換的風扇結(jié)構(gòu)示意圖。
圖18是根據(jù)本發(fā)明制造的電機與標準感應電機的省電對比示意圖。
圖19A是根據(jù)本發(fā)明制造的徑向空隙無刷永磁電機的側(cè)面示意圖。
圖19B是圖19A中的無刷電機的端視圖。
圖20是根據(jù)本發(fā)明制造的第三可替換結(jié)構(gòu)電樞纏繞軸向空隙無刷電機的平面示意圖。
圖21是根據(jù)本發(fā)明，圖20中用于生產(chǎn)三相電機的電樞的電樞繞組的相疊合的一個展開的正面示意圖。
圖22是根據(jù)本發(fā)明制造的第四可替換結(jié)構(gòu)電樞纏繞無刷電機的平面示意圖。
圖23是根據(jù)本發(fā)明，圖21中用于生產(chǎn)三相電機的電樞的電樞繞組的相疊合示意圖。
圖24是根據(jù)本發(fā)明，一個第二可替換結(jié)構(gòu)的無刷永磁電機的側(cè)面示意圖。
圖25是一個圖24中無刷電機的電樞模板的展開平面示意圖。
圖26是一個圖24中無刷電機的組合電樞的部分示意圖。
圖27是根據(jù)本發(fā)明制造的，一個由多重圓周切面模板組合的大型電樞模板示意圖。
圖28是根據(jù)本發(fā)明，制造一批無刷電機中使用的空心電樞的步驟流程圖。
較好實施例的描述在示圖中，相似的附圖標記標示出相同的或相關(guān)的部件，其中四種用于空心電動發(fā)電機的不同的磁性構(gòu)造都標示在圖1A-1D中，以便對比。圖1A顯示了轉(zhuǎn)子31，定子32的電動發(fā)電機30的一小部分。定子32是由電樞繞組33組成，與轉(zhuǎn)子31非常相似，以便于能量轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)子41包括連接在一輕型的完全無磁性轉(zhuǎn)子部件35的交替的磁極34。轉(zhuǎn)子相對于固定的定子旋轉(zhuǎn)，所以，在實際過程中，磁鐵34從側(cè)面垂直通過線圈33，到達電線，并與裝有線圈的平面平行。磁鐵34在線圈33中產(chǎn)生出環(huán)形37電流，再在轉(zhuǎn)子部件里沿著這個環(huán)形37繞回來。
圖1B所示的電動發(fā)電機40中，轉(zhuǎn)子41相對于固定的定子42旋轉(zhuǎn)。定子42包括電樞繞組43，與轉(zhuǎn)子41非常相似，以便于能量轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)子41包含了連接在鐵磁轉(zhuǎn)子部件45之上的交互的磁極44。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并把磁鐵帶過電樞繞組43時，磁鐵44就產(chǎn)生出環(huán)形46電流，通過線圈43，再通過低磁阻鋼轉(zhuǎn)子部件45以環(huán)形形式47繞回來。
圖1C標示的是一個帶轉(zhuǎn)子51和定子52的一個電動發(fā)電機50。定子52由電樞繞組53組成，與轉(zhuǎn)子51非常接近，以便于能量轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)子51由交互的磁極54組成，這個交互的磁極是連接在一個鐵磁部分55和一個分立開來的作為支撐的鐵磁轉(zhuǎn)子56的。旋轉(zhuǎn)的一列磁鐵54在環(huán)57中產(chǎn)生出電流穿過線圈53和低磁阻鋼轉(zhuǎn)子56，并穿過環(huán)58和低磁阻鋼轉(zhuǎn)子55。
圖1D標示了一個帶轉(zhuǎn)子61和定子62和一個電動發(fā)電機60。定子62由電樞繞組63組成，與轉(zhuǎn)子61非常相似，以便于能量轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)子61包括連接在鐵磁轉(zhuǎn)子66，67上的交互磁極64，65。鐵磁轉(zhuǎn)子66，67同時旋轉(zhuǎn)。這列旋轉(zhuǎn)的磁鐵64，65產(chǎn)生環(huán)形電流68，69穿過線圈63和低磁阻鋼制轉(zhuǎn)子部件66，67。
圖2顯示出了不同的磁體構(gòu)造1A-1D之間的馬力對比。每種設計都使用了等量的磁鐵材料，動力級別的計算也是以效率達到98％為基礎(chǔ)的。雖然1A和1B構(gòu)型允許通過把轉(zhuǎn)子放在電樞的一邊而進行簡單的組裝，但他們的動力水平卻很低，分別為7.75馬力和11.75馬力。這樣的成本功率比對于某些用途來說還可以接受，但是若與低成本的電磁感應發(fā)電機相比，就顯得遠遠沒有競爭力了。圖1C的構(gòu)造提供了置于后面的鋼鐵以便于有效地疏導周邊的電流在電樞的兩側(cè)流通。這是一個很顯著的改進，大于兩倍的動力能力。因此電樞兩側(cè)鐵磁轉(zhuǎn)子的使用最好是使用依據(jù)本發(fā)明的電機。圖2表明圖1D的結(jié)構(gòu)通過在每個鐵磁轉(zhuǎn)子上安裝半塊磁鐵就能提供更多的改進。這種結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生更大的電流以跳過電磁氣隙，穿過電樞，而不遺漏周邊的電流。這樣，動力就由23.25增至40馬力，是最高的馬力轉(zhuǎn)子設計構(gòu)型。在要求低慣量的使用中，大家也認為一個沒有磁轉(zhuǎn)子的Halbach發(fā)電機磁鐵列也可以被使用。然而，這種結(jié)構(gòu)成本很高，因此不太為商業(yè)所用。
現(xiàn)在來看圖3A和3B，這是一個無刷的電動發(fā)電機80，有一個轉(zhuǎn)子81和定子82。轉(zhuǎn)子81具有兩鋼質(zhì)轉(zhuǎn)子部分83和84，它們由高磁阻連接管94連接在一起。連接管94和轉(zhuǎn)子部件83，84可以具有扇動空氣的特性，以在需要時為這個電動發(fā)電機80提供氣流冷卻。如圖3B表示的那樣，每個轉(zhuǎn)子部件83，84上都連有多個交互磁極的永久磁鐵85，86以產(chǎn)生磁通量，穿過由沿軸對稱的兩個轉(zhuǎn)子83，84表面所形成的磁空氣隙87。磁空氣隙87中是一股特殊的氣流柱電樞88，那里有多個線圈進行動力的轉(zhuǎn)換。電樞88的幾個構(gòu)型在下面會被詳細的描述。具有轉(zhuǎn)柱89和90的轉(zhuǎn)子部件84，83被軸承91，92支撐。軸承91，92由遠處獨立位置上的一外管97端口處蓋板95，96支撐。螺栓98把端口處的蓋板95，96固定在一起，并支撐著磁空氣隙87里的氣柱電樞88。圖3B是轉(zhuǎn)子81的軸平面圖，它顯示了帶有交互磁極的磁鐵85的轉(zhuǎn)子部件84，它可以產(chǎn)生來回往返的電流，穿過磁空氣隙87，并通過轉(zhuǎn)子部件83，84周邊的通路，正如圖1D所示。
以前的空心電動發(fā)電機設計試圖加大空心電樞的線圈匝數(shù)。在電動發(fā)電機相似的設計中，增加每個磁空氣隙單位厚度的線圈匝數(shù)就會增加每單位磁性材料的效率和馬力。雖然依據(jù)本發(fā)明所制的空心電樞已經(jīng)有了理想的線圈匝數(shù)，然而另一個目標就是要使電樞制作更快，更簡易和更經(jīng)濟。
圖4為如圖3所示類型的無刷電動發(fā)電機110的輪廓圖。它包括了一個沿著伸展至圖中平面后面的一垂直軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子111，和一塊電樞117，位置如圖3A所示的電樞88的位置。轉(zhuǎn)子111，和圖3A中轉(zhuǎn)子81一樣，將連接有多向交互磁極磁鐵114，115的鐵磁轉(zhuǎn)子部件112，113隔開。軸向氣隙116布置在磁鐵114，115的相對位置。磁鐵產(chǎn)生通量120，穿過氣隙116，并流經(jīng)固定在氣隙116上的電樞117。磁通量從邊緣流經(jīng)鐵磁轉(zhuǎn)子部件112，113的環(huán)121，122，形成環(huán)形電流。電樞117是由以不具磁性并低導電率材料制成的板118構(gòu)成。這種材料可以是尼龍或其他塑料或陶瓷，經(jīng)挑選以達到電動發(fā)電機各自不同規(guī)格和用途所需的硬度和溫度。熱導材料更好一些因為它能促進電樞117外部的熱量傳遞。板118有一層薄薄的襯板124和一些稍厚點的突起部分125。這些突起部分125之間的空隙形成了一些管道126。
電樞是由將線圈119直接繞進板117中空隙或管道126中而制成的。比較理想的是，管道126的寬度要正好容下線圈119，以便于在繞線圈的過程中僅僅需要把線圈119推進管道126中。
如圖所示，電樞的構(gòu)造并不加大線圈的厚度，前面的幾種方法也是如此。襯板124和突起部分125的占據(jù)的一些空間本可以被用來盛裝更多的線圈，如果沒有板117的話。但是，電樞的制作過程卻因此變的更簡易，迅速，更可信賴了。電線在纏繞過程中就不需要被引著穿過多個開口，也不需要特殊的承載和封閉裝置，密封松香也可以被省略或少用，雖然有時它還是會被拿來固定纏繞后的線圈。和電樞制造不同，在那線圈是單獨纏繞，之后再組裝，封裝，根據(jù)本發(fā)明的電樞可以用簡化的步驟制成。相似的，板117的使用或密封在此的相似的板都允許使用絞合線。絞合線是由多個獨立的，互不導電的纜心線束123構(gòu)成，如圖4A所詮釋的那樣。纜心線束之間的絕緣避免了線圈中渦漩電流的損失。對于高動力電動發(fā)電機，絞合線的使用已變得非常重要，因為這類電動發(fā)電機的電線規(guī)格和電樞規(guī)格都很大。用于替換大型感應發(fā)電機的電動發(fā)電機上尤其有優(yōu)勢。用絞合線纏繞使得繞線過程更簡單。然而，不同于固體電線導體，絞合線并不能保持它彎曲的形狀。因此，用絞合線單獨纏繞空心電樞，如前面所提到的方法那樣，是很困難的。線圈在纏繞和裝配后并不能保持形狀。這里提到的纏繞過程就克服了這個缺陷因為那些空隙能固定電線，因此整個過程的完成就會迅速并又簡單。
圖5是另一個無刷電動發(fā)電機130的結(jié)構(gòu)，和圖4中的構(gòu)造類似，因為它包括了一個固定的定子，定子上包括一個電樞137和一個轉(zhuǎn)子131，這個轉(zhuǎn)子具有兩個隔開的共同旋轉(zhuǎn)的鋼質(zhì)轉(zhuǎn)子部件132，133，連接著磁鐵134，135。電樞137被固定在一個由磁鐵134，135沿軸的兩個相對的表面所形成的空隙136上。磁鐵134，135產(chǎn)生磁磁通量，穿過電樞空隙136，并流經(jīng)空隙136中的電樞137，和轉(zhuǎn)子131中的邊緣路徑132，133，如圖3A和圖4所示。
電樞137包括一個無磁性的，低電導率的模板138，模板由一薄薄的襯板139和一些管道141所組成。管道是由突起部分140形成的。在這個構(gòu)造中，線圈的纏繞被進一步改進。線圈142被更安全地固定在這些管道141中。這些管道的寬度大致相當于線圈142的電線的寬度，因此每根電線都被放在單獨的管道里。當若干電線放在同一個管道里時，如圖4所示，這些電線就會向上彎曲，變形，松動管道的支持，并最終脫離這些管道。雖然這種情況可以通過在這些充斥著線圈的管道上擋上粘合板或其他的板來抵消，如圖9和圖21所示。但是，沒有蓋的電線在這個多線的管道里非常不容易纏繞，尤其是當制作電樞需要許多電線的時候。圖5中的電機結(jié)構(gòu)排除了那種問題，并同時為纏繞方式提供了方便。比如它方便了電線的串聯(lián)，這個將會在以后更細致地描述。當一根電線單獨占據(jù)一個管道時，纏繞就變得簡單了，而電線也更容易保持原位不變，不論它們與管道是同寬或是比這些管道細。圖中標示，電線142直徑和管道142的寬度一樣，但是它們也可以更大一點，這樣可以保證電線被塞進管道，如下面相關(guān)的圖11所描述的，并填滿整個管道，如圖21所示。另外，電線可以被繞成方形或矩形的十字花，這樣也可以緊緊地貼著管道的兩邊插入纏繞了。還有，為了生產(chǎn)的方便，電線可以在端口處做成稍稍傾斜的斷面，這樣電線就可以很容易地插入管道，然后緊緊的填滿這個管道。
如圖6所示，無刷電動發(fā)電機150的一面上有一個繞這一垂直軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子151和一個固定的定子152。轉(zhuǎn)子151有兩個隔開的，帶有磁鐵的同時旋轉(zhuǎn)的鋼制轉(zhuǎn)子部件153，154組成。這些磁鐵產(chǎn)生磁通量160，穿過電樞的磁場空隙157，如圖3A-圖5所示。定子152由一個無磁性的，低導電率的板158組成，這個板有個薄薄的襯板160和稍厚的突起部分161，所以在表面形成了管道，如圖5所示。線圈159通過突起部分形成的管道161被直接纏繞到板158上。如這個結(jié)構(gòu)圖所顯示的，線圈159是完全夾在這些由突起部分161形成的管道里，并由線圈159的所有部分所支撐，包括端口的曲折部位，如圖22的進一步解釋。這在結(jié)構(gòu)上提供了很大的支撐，彎曲起來也很容易，但是會稍稍增加板158的成本。
在根據(jù)本發(fā)明的電機的一些應用中，板子不需要為其上的線圈的所有部分的纏繞提供支撐。降低板子的成本或只在選定的地方提供纏繞的支持來簡化生產(chǎn)是更可取的，雖然為固定線圈和確保纏繞簡易提供充足的支持是更好的。在板上留一部分線圈不被管道支持固定還有利于冷卻線圈，或者纏繞后的封裝。對于特定的電動發(fā)電機，使用高導熱率的材料封裝可能會更好些。圖7所示為一無刷電動發(fā)電機170，它有一個纏繞模板177，上面帶有支撐有效長度的管道。這里“有效長度”是指電樞繞組上與空隙中電流接觸產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，即電力的那部分長度區(qū)間。電動發(fā)電機170具有被支持的，繞著一垂直軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子170，如圖6-圖8中結(jié)構(gòu)右側(cè)所示，以及一個定子172。轉(zhuǎn)子171由兩個隔開的，連接有磁鐵175，176的同時旋轉(zhuǎn)的鋼制轉(zhuǎn)子部件173，174組成，磁鐵產(chǎn)生磁通量180，穿過電樞磁場空隙178，如圖3A-圖5所示。定子172包括一個不帶磁性的，低導電率的模板177。板上有一層薄的襯板181和稍厚點的突起部分182，這些突起在表面就形成了管道。線圈183穿過管道直接繞到板177上。在這種結(jié)構(gòu)中，捆綁管道側(cè)邊的突起部分182僅僅固定繞組的工作長度區(qū)間。電樞底端的彎曲處沒有束縛，需要時可以裸露在空氣里冷卻。沒有端部轉(zhuǎn)彎處的管道，在管道中有角度地安裝的每個相上的繞組可以纏到一塊單獨的模板上。這樣會使用許多分成三類的電線。比起使用單個模板，這是個比較復雜的纏繞方式，但是卻減小了多元相所需的空隙厚度。
另一種無刷電動發(fā)電機構(gòu)造在圖8中顯示了出來。類似地，它有一個繞著一垂直軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子191，和一個定子192。轉(zhuǎn)子191由兩個隔開的，帶磁鐵193，194的共同旋轉(zhuǎn)的鋼制轉(zhuǎn)子部件195，196組成，磁鐵產(chǎn)生磁通量199，穿過電樞磁場空隙198，如圖3A-5所示。定子192包括一個完全無磁性，低導電率的板197，板上帶有薄襯板201和稍厚些的突起部分202，這些突起部分在表面形成管道。電樞繞組203繞過這些管道直接纏繞到板上197上。如同這個構(gòu)造所標示出的，管道202只支持有效長度或磁場空隙198端口處的電線203。這種構(gòu)造提供了更少的結(jié)構(gòu)支持，但是仍然通過在纏繞過程中固定線圈幫助方便了纏繞。這樣的結(jié)構(gòu)可以在需要時用環(huán)氧樹脂封閉線圈。熱導環(huán)氧樹脂可以使電樞的熱量積累達到最小化。
根據(jù)本發(fā)明的模板使用的好處之一就是簡單而迅速地組建空心電樞。雖然有時可以把多元相纏繞綜合到一個模板上，但是這使得纏繞非常困難，也使得纏繞在管道上的線圈的固定變得困難。為了克服這樣的缺陷，也使得電動發(fā)電機的生產(chǎn)簡單些，多元相的纏繞可以在多個模板上進行，這樣每一次的纏繞都有個獨立的模板，而獨立纏繞的線圈也疊合在一起形成多元相電樞，如圖9所示的無刷電動發(fā)電機210。這樣，只需一種纏繞結(jié)構(gòu)就行。每一模塊都是一樣的，線圈旋轉(zhuǎn)起來都達到120度。這樣每一相都可以選擇電線的數(shù)量以優(yōu)化電動發(fā)電機的動力能力和效率。這種構(gòu)造缺點是需要許多模板和較低小的線圈匝數(shù)。通常情況下，這樣的結(jié)構(gòu)不是非常理想的。然而，若考慮到電樞生產(chǎn)的成本節(jié)約問題，這樣的結(jié)構(gòu)就非常有優(yōu)勢了。
電動發(fā)電機210是由轉(zhuǎn)子211和一個固定的定子212組成，轉(zhuǎn)子211繞著一根垂直的軸旋轉(zhuǎn)(如圖9)。轉(zhuǎn)子211有兩個隔開的同步旋轉(zhuǎn)帶有磁鐵213，214的鋼質(zhì)轉(zhuǎn)子部件215、216，磁鐵產(chǎn)生磁通量224，穿過電樞磁空氣隙227和轉(zhuǎn)子部件215，216的邊緣路徑225，226，見圖3A-5。定子212是一個三塊模板217，218，219的組合。每塊板都有一個薄薄的襯板220和突起的部分221，這些翹起的部分形成了管道222。線圈223像前面圖4-8描述的那樣，繞進這些管道222，然后，模板217，218，219以適當?shù)慕嵌冉M合連接在一起，形成了一個完整的定子212的電樞。
在圖10A和10B中是圖9所示的無刷電動發(fā)電機的相疊合電樞。電樞繞組疊合229是由三個相230，231，232組成，包含繞組233，236，239。每個繞組233，236，239的有效長度235，238，241都位于磁空氣隙中以進行動力轉(zhuǎn)化，并在末端的彎曲處234，237，240(包括另一端工作長度區(qū)間的末端)轉(zhuǎn)移。為了產(chǎn)生三組的動力，每個線圈233，236，239都要偏置120度。偏角將會隨相數(shù)的不同而相應的調(diào)整。
這種裝置的電樞生產(chǎn)過程在圖11中有簡化的闡釋。模板的繞線過程可以在需要的時候自動化。然而，這種裝置的好處之一就是電樞也可以很容易地手工制作。這就允許電樞生產(chǎn)成本可以相對比較低，或者可以去勞動力便宜的地區(qū)手工制作，這樣就不需要大量的資金投入，這和其它空心電樞裝置是很不相同的。圖11所表示的生產(chǎn)電樞251的過程是把絞合線253推擠進在低導電率模板252上的管道255中，圖20所示。線軸254可以利用滾軸將電線253繞進板252上的管道里。一旦被壓入，電線就被管道的兩邊擠住，因此被牢牢的固定在那里。根據(jù)給定的電動發(fā)電機所需的線圈的情況，單根的電線253可以一次或通常情況下多次地繞在板252上。另外，多個線軸可以同時將電線引入多個管道中，線與線之間是平行的。這樣的構(gòu)造減少了繞線次數(shù)，雖然有時多根電線間需要有電力連接。
在纏繞過模板之后，可以會將它們裝配成進電動機，安裝進轉(zhuǎn)子。另外，如果需要封裝，繞線后這些線圈就被移至封閉處進行密裝。繞線和封裝兩部分開在生產(chǎn)過程中是有利的。對多個板的封裝可以通過采用加入封裝混合物而一次完成，多個電樞堆疊在一起，每個堆疊之間加一層釋放膜，然后將整個線圈堆疊進一真空袋以排除管道里的空氣泡。使用加熱過的腔室或高壓器可以增加產(chǎn)量和生產(chǎn)的一致性。多板堆疊上的蓋板可以罩上一薄層如玻璃纖維類的物質(zhì)，以確保電動發(fā)電機工作時繞組能固定在一個位置不動。
如前面提到的，空心電動發(fā)電機設計者針對一定數(shù)量的昂貴的永久磁鐵材料，通常會努力使電樞繞組厚度最大化以產(chǎn)生最大的電力和效率，而生產(chǎn)的難易則放在第二位考慮。這就使轉(zhuǎn)子磁鐵成本大大提高。與這種方式的傳統(tǒng)相對的，它的好處就是能提高電樞生產(chǎn)的速度，可靠性，也很經(jīng)濟。雖然能加厚線圈是大家都想要的結(jié)果，生產(chǎn)的不斷簡易和經(jīng)濟卻是可以辦到的，所以整個的生產(chǎn)成本就比較低了。生產(chǎn)成本的削減逐漸地明顯起來。對于40馬力的發(fā)動機，針對一個效率的生產(chǎn)成本削減如圖12所示。其他規(guī)格的發(fā)電機，如果更小一點的，或其他生產(chǎn)量，比如說高一些的量，就會有個明顯的對比。表格比較了傳統(tǒng)式的，線圈單獨纏繞的發(fā)電機和后來組裝一起并覆蓋封裝起來的，帶有纏繞電線管道的電樞和板的裝置。從圖表中可以看出，新的發(fā)電機需要大約高出20％的磁鐵成本，因為電樞襯板和突起造成的管道使得線圈厚度降低了。盡管磁鐵成本增加，新發(fā)電機也使整個生產(chǎn)成本降低了大約40％，這是因為電樞生產(chǎn)比以前更簡易，更快速。電樞成本節(jié)約的另一個因素是生產(chǎn)設備資本投入的減少。這對于生產(chǎn)大型新的空心電動發(fā)電機是尤其有利的。這些新發(fā)電機也裝配地特別合適，在廣泛的工業(yè)使用中，可以與低成本的發(fā)電機相競爭。
圖3A所示的無刷電動發(fā)電機電樞的旋轉(zhuǎn)的機械原理示意圖在圖13中有闡釋。電樞260包括一個沒有磁性，低導電率的板261，表面有電線管道262。電線263繞進管道262。為了簡化和闡釋的需要，圖中電線263和管道262使用的是與圖13相同的線。所有的電線263都平行地繞成圓周。這樣的結(jié)構(gòu)可以用于高馬力的電動發(fā)電機。在平行的螺旋結(jié)構(gòu)中，不需要覆蓋的纏繞電線263，這是個很大的優(yōu)點。電線263到管道262的纏繞也非常簡單，操作起來也很迅速，也沒有重疊的纏繞。電線262的有效線圈部分264可以不從邊緣(而是徑向地，如圖13所示)繞過磁空氣隙(兩條直線268，269之間的環(huán)形部分)和內(nèi)外彎曲部分267。端口彎曲處267最好安在磁空氣隙的外部以便于使每單位此材料的能量轉(zhuǎn)化最大化。如果需要的話，也可以把端口彎曲處放在磁空氣隙里，但是結(jié)果會使導體的工作長度區(qū)間減少。工作長度區(qū)間264和端口彎曲處267之間的轉(zhuǎn)化被表示為角落部分266。角落部分266可以非常尖銳，或者更好是圓形，如圖20和22所示，以幫助電線263固定在管道里。端口彎曲處也許也可以從一個工作長度區(qū)間到另一個工作長度區(qū)間被纏繞上。
圖3A顯示的另一種無刷電動發(fā)電機所用的電樞270的電線結(jié)構(gòu)由圖14闡釋。電樞270包含一個完全無磁性，低導電率的模板271，上面帶有許多管道272。電線273繞到板271上，引入管道272中。為了簡化起見和便于闡釋，電線273和管道272在圖中都使用了和圖14一樣的線。線圈273在磁空氣隙里的工作長度區(qū)間274，還具有徑向的內(nèi)、外端口處彎曲281，這些彎曲主要是從邊緣傳導，并連接線圈的工作長度區(qū)間。在所示的繞線結(jié)構(gòu)中，電線273以螺旋的方式纏繞，一根電線有多條路徑繞著整個板271的四周，也可以是多根電線的串聯(lián)所形成。這種纏繞可能是通過順著圓周纏繞多根電線273，然后再相鄰電線273間聯(lián)成電路276。這種纏繞簡單而快速，但是連接電路時卻要費些時間。或者，如果板271上有纏繞單根電線的管道272，那么整個纏繞過程就不需要連接任何電路了。纏繞的電線273沿著板271的直徑被反復繞進管道272。每次的纏繞都會將電線273引入相鄰的管道272。仍然，繞角280要么比較尖，要么比較圓，如圖20和22所示，這樣可以方便繞線。
把纏繞的多根電線273串接起來時，就會造成電線273的重疊，而磁通量方向電樞270的厚度就會增加，就會影響多個模板的疊合和組裝。為了避免這個潛在的問題，最好的做法就是在周邊處使用不帶支撐部分的模板271，這樣，線圈273的交疊272就會出現(xiàn)在同一塊板上。板271上有塊省略的地方275，專門用來置放交疊的電線的。由于電線273的直徑通常大于襯板，一個接一個疊合的板的相同部分也可以移走。另外，絞合線的絕緣外皮可以被脫去，每根電線絲都散開，淺淺地分層嵌入模板中，并在每層電線絲間放一絕緣條或絕緣帶，起到保護絕緣的作用。當安裝完成后，電樞就會有根輸入的電線連接279和輸出的電線連接278。
雖然先前提到使用螺旋結(jié)構(gòu)的線圈，電樞也可以使用盤旋的形式纏繞。盤旋結(jié)構(gòu)可以允許繞著電樞周邊連續(xù)的串聯(lián)，不用相互連接。然而，盤旋纏繞缺點是它導致更多的重疊。無刷電機的電樞纏繞結(jié)構(gòu)的使用如圖15所示。電樞290包含一個沒有磁性的，低導電率的板291，上面有許多管道298。線293以多線圈的方式纏繞進管道298。線圈有效長度295在磁場空隙里，端口彎處296最好位于磁空氣隙的外部。每個盤旋線圈292都有個起始彎曲293和終端彎曲294。一個盤旋的終端彎曲可以被直接地繞到下一個相鄰的盤旋的起始彎處，這樣繞線的速度就加快了。不論盤旋線圈292是串聯(lián)的還是平行的，重疊現(xiàn)象297一定會有。為了能堆疊或裝備多個板，板291上最好切下一塊部分299。多塊堆疊在一起的板在為了協(xié)助統(tǒng)一堆疊而進行的組裝也將在同一部位會有切下的部分。
部分由于它的高效率，低成本和易于組裝以進行大功率的特點，電動發(fā)電機由許多很有前景的用途。除了通常使用的無刷DC發(fā)電機，如伺服電動機，這種電機使用一種下面要講到的發(fā)電機控制器，可以以不同速度完成電機系統(tǒng)的電磁感應。高效率這一優(yōu)勢使得它節(jié)省了相當大的電力，尤其是用在需要不斷運轉(zhuǎn)的情況下。這樣的一個應用就是電扇和吹風機。打掃屋子使用的電扇要不斷地運轉(zhuǎn)，促進很大體積的空氣的流動。它們?nèi)匀粫拇罅康碾娏Γ瑢е旅磕晗喈敶蟮碾娏p耗。根據(jù)本發(fā)明的電動發(fā)電機可以替換這種感應發(fā)電機驅(qū)動的風扇，并可以節(jié)約大量能源而不增加成本。低的初始成本使得它們在市場上很有吸引力和競爭力。這種發(fā)電機的應用的一個例子就是電扇300如圖16所示。電扇300包括一個空心永磁電動發(fā)電機301，它有個特殊的電樞結(jié)構(gòu)，如圖中所畫出的一樣。發(fā)電機301驅(qū)動電扇轉(zhuǎn)子302運行，并與主體303連接。電機301與電扇框架結(jié)構(gòu)304搭配。電樞電線305將電機301與發(fā)電機變極器306連接在一起。變極器為電動發(fā)電機301提供同步AC以同時為電樞繞組提供能量和給轉(zhuǎn)子提供轉(zhuǎn)矩。變極器306可以是個感應器或者非感應器，對于發(fā)電機的整流，如圖24所示。變極器306被連接起來通過電力連接307提供電力。
當移動大體積空氣時，通常會使用大型的，慢速的電扇。在這種情況下，一個帶狀的驅(qū)動被放在電機和大型的電扇轉(zhuǎn)子之間來驅(qū)動電扇以一個比電動機速度稍慢的速度運轉(zhuǎn)。電扇的這種帶有無刷電機和減速器的構(gòu)造在圖17中表示了出來。電扇310包括了一個無刷空心電機311，其中有一個專門的電樞構(gòu)造，這里有說明。電機311在一個裝于軸承314的軸頸的中間軸313上驅(qū)動著一個大直徑的電扇轉(zhuǎn)子312。電機311通過滑輪315，316和一個三角帶318驅(qū)動著中間軸313。電機311的電樞繞組與變速發(fā)電機驅(qū)動變極器321聯(lián)成一個電路320。變極器321為發(fā)電機311提供不同的頻率和同步AC電力，以可以不同的速度驅(qū)動。變極器321由一個與輸入能量的線322的連接驅(qū)動。
通過用電動發(fā)電機替換感應發(fā)電機節(jié)約的電力成本是非?？捎^的。與一臺標準的感應發(fā)電機相比，根據(jù)本發(fā)明的電機省下來的電力成本如圖18所示。計算對比了不斷運行的，高效率EPACT感應發(fā)電機和新型的98％效率的空心發(fā)電機。兩種不同的發(fā)電機規(guī)格，分別為5馬力和40馬力。每年，新型的5馬力發(fā)電機都將會節(jié)省400美元，而40馬力的將會節(jié)省1,434美元。十年之后，這就意味著每臺將分別節(jié)省4,000美元和14,340美元。
根據(jù)本發(fā)明制造的電動發(fā)電機中，可以如圖3A所示有一個軸向磁空氣隙，或者也可以采用徑向空隙結(jié)構(gòu)，用一個必然圓柱結(jié)構(gòu)和電樞纏繞結(jié)構(gòu)，如圖19A和19B所示的徑向空隙無刷電動發(fā)電機330。電動發(fā)電機330包括一個固定的定子332和一個轉(zhuǎn)子331。軸339，340在軸承341，342中作為軸頸供與定子332相對的轉(zhuǎn)子331旋轉(zhuǎn)。軸承341，342由機殼側(cè)板343，344支撐，機殼側(cè)板則由外部機殼管345連接。轉(zhuǎn)子331中有一個中心鋼筒部件333和一個外部同軸空心鋼管334，二者由盤348在一端連接到中心部件333，在另一端開口。中心部件333與外部鋼管形成了兩個徑向間隔、分開同步旋轉(zhuǎn)的鐵磁轉(zhuǎn)子部件。如圖19B所示，圓周狀交互極性的徑向磁化磁體335被連接到外管334上。與標準的等效功率等級的感應電動機相比，徑向空隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是直徑較小。而這一直徑縮減是以更低的磁端速和潛在地增加磁體成本為代價的。若有需要，也可以如圖24所示，將磁體連接到內(nèi)圓筒333上。磁體335驅(qū)動磁通量336通過由磁體336的內(nèi)表面和中央鋼筒部件333決定的磁空氣隙337。磁體335驅(qū)動磁通量336通過一條通量通道，包括跨過空氣隙337的徑區(qū)間，穿過內(nèi)鋼筒333的圓周區(qū)間和外同軸空心鋼管334。
定子332中有一個空心電樞338，該電樞與朝向轉(zhuǎn)子331開口端的側(cè)板334連接在一起，并軸向伸入磁空氣隙337中。電樞338由一個完全無磁性、低導電的圓柱形模板構(gòu)成。如前所述，模板有管道和纏入管道的繞組，后面與圖24-26相結(jié)合有更詳細的描述。為最大限度地增強功率密度能力，還可在電樞上增設液體冷卻。一種方法是將液體冷卻線與繞組相臨穿過模板。同步變速電機驅(qū)動變極器為電樞繞組供應同步交流電。電樞繞組中的同步交流電與空氣隙337中的交互通量相互反應，交互通量由磁體的旋轉(zhuǎn)排列對轉(zhuǎn)子331上的扭矩起作用產(chǎn)生。空氣冷卻孔346，347通過轉(zhuǎn)子331提供氣流并冷卻電樞338。
如圖20所示，軸向空隙無刷電動發(fā)電機的另一個電樞350中有蜿蜒的繞組351，該繞組圓周狀多次纏入電樞模板356的蜿蜒狹槽中。繞組351包括一個起點352和一個終點353。為防止終點353處的重疊355妨礙多重模板的平面疊合，如圖21所示，電樞350中有一個圓周的切除橫截面354。
圖21顯示的是一個多元相電樞的堆疊。該堆疊電樞360由361，362，363三相軸向組合而成。361，362，363每一相各使用一個充分低導電模板364，模板包括一個支撐367和向上開口的管道366。絞合線繞組365安裝在管道366中。如圖所示，管道是矩形的，金屬絲在纏繞之前被預壓縮成矩形截面。這便于形成一個高密度的緊密結(jié)構(gòu)，不需要在纏繞后再進行高壓壓縮。圖中所示的管道366包括輻射式的內(nèi)拐角，然而為更好地與矩形的壓縮線路相配合，拐角可制成方形。除了表示出來的堆疊電樞360外，每個相的繞組在工作長度區(qū)間邊緣緊挨著地組放在一起，比起與工作長度區(qū)間同寬情況下沿圓周統(tǒng)一分布更緊密。人們發(fā)現(xiàn)，有時可以用這種緊密包裝通過減少電阻損耗和為特定設計增加電動勢來提高電動發(fā)電機的效率。
如圖22，23所示，無刷電動發(fā)電機的另一種電樞纏繞結(jié)構(gòu)電樞370包括一個完全無磁性、低導電的模板371，絞合線繞組372纏繞在模板371的管道中。繞組372有一個起點373和終點374。如圖23所示的多相電樞380，由疊合在一起的不同相381，382，383構(gòu)成，每個相都如圖22所示纏繞。模板371上有軸孔373，374，供繞組372從低導電的模板371中退出，以防止繞組在一個模板上的單相重疊。相應的出孔(未標示)在模板中間和底部，以供頂部的纜心線和中間的相381，382軸向退出堆疊電樞380。以這種方法，繞組可以在所有位置都彼此絕緣，而且在電樞的整個圓周上都得到模板管道的支持。因此，使用未加工的絞合線，而不在纜心線外皮上附加介質(zhì)擊穿強度是可行的。這種未加工的絞合線不但更柔韌、易于纏繞，而且可以實現(xiàn)更高的纏繞密度和電機效率?？?75環(huán)繞在模板371的外圍的內(nèi)外，以保證模板的適當排列，從而令相在正確的位置上彼此相關(guān)；還保證疊合裝配中的模板牢固地連在一起。這些孔還用來安裝扣件以控制模板待在電樞空氣隙中的所需位置。
圖24顯示的另一種徑向縫隙無刷電機390。該電機中有一個轉(zhuǎn)子391，和內(nèi)、外同步旋轉(zhuǎn)的鋼管395，396，轉(zhuǎn)子包括軸承393，394和由軸承支撐的軸392；兩根鋼管以徑向隔開，形成一個徑向電樞空氣隙406。徑向磁化的兩個磁體397，398在圖19B中以圓周交互極性排列安裝，但在本實施例中安裝在空氣隙的兩面，驅(qū)動磁通量徑向來回通過電樞空氣隙406。磁通量在圓周狀相鄰的磁體之間圓周狀流經(jīng)內(nèi)外鋼管，以完成一個通量環(huán)。圓柱狀空心電樞407位于電樞空氣隙406中在電能和轉(zhuǎn)動能之間轉(zhuǎn)換。電樞407包括一個工作長度區(qū)間402和軸端部轉(zhuǎn)彎處400，401。端部轉(zhuǎn)彎處400，401在朝向磁空氣隙的方向比工作長度區(qū)間402厚。為方便電機390的安裝，端部轉(zhuǎn)彎處400，401向反方向徑向突出。繞組纜心線403從電樞407中退出到電盒404中。電盒位于機殼405的外部。
電盒404中可安裝一個電機控制器，如用來為電樞繞組供給同步交流電和為電機390供電的同步變速電機驅(qū)動變極器。為免除精確電機交換定相的需求和消除由電機到驅(qū)動器的運轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的阻礙正常操作的電噪音，電機驅(qū)動器最好使用無傳感控制。慮及精確有力的電機控制，電機驅(qū)動變極器使用無傳感通量矢量控制。這種類型的控制以表現(xiàn)在電源上的高功率因數(shù)產(chǎn)生了高效率，還以雙旋轉(zhuǎn)空心電機結(jié)構(gòu)提供了最佳扭矩和速度控制能力。無傳感通量矢量控制的高性能與空心電樞電機增加的性能協(xié)調(diào)合作。這種電機控制器也可以應用在圖3A和19A顯示的電機中。
為清楚展示，圖25顯示了徑向縫隙電機390的電樞模板“打開的”或平面的示意圖。模板410是一個塑料管，具有支撐部分411和徑向突出的隆起412。隆起之間有徑向向外的管道413，繞組就纏繞在管道中?？紤]到定子上活動端的端部轉(zhuǎn)彎處要被徑向向內(nèi)替換，活動端的支撐部分411省略了。圖26顯示的是電機的組合空心電樞。電樞407由低導電的模板410構(gòu)成。模板工作長度區(qū)間402上有一個支撐部分421和徑向開口管道413。模板包括位于軸端部的端部轉(zhuǎn)彎處401，400，絞合線繞組426就纏繞在該模板上。為把繞組426壓入管道423中，可用壓緊包裝424圓周纏繞在模板上。包裝424可以是纖維帶，帶子，或其他半徑小而力度大的材料來提供必需的壓縮。
圖27展示的是由多重圓周形截面模板組裝的大型電樞模板。對于較大型的電動機或發(fā)電機來說，用多重部件組裝電樞更實用經(jīng)濟。加工或澆鑄一個大型模板可能在經(jīng)濟上是不可行的。特大型電機的一個用途是用在直徑15英尺或15英尺以上的直接驅(qū)動風輪機上。電樞430由多重圓周模板截面431構(gòu)成，模板截面則通過螺釘433或其他扣件連接到固定架432上。未在圖中標示出的繞組可以纏繞在截面431上。另外，為了減少所需的電力連接數(shù)量，可以在模板組裝完畢之后進行纏繞。
圖28展示的是根據(jù)本發(fā)明制造無刷電機中使用的空心電樞流程圖。如步驟441所示，最好用澆鑄或塑造模板原料的方式將模板制成所需的形狀。這與其他空心電樞制造技術(shù)不同，它們是首先纏繞繞組，而澆鑄或壓縮則是最后一個步驟。步驟441的模板制成之后，在步驟442中將繞組纏繞上模板。在步驟443中，組裝和/壓縮多重繞組和/或模板。為保證在所有本身絕緣的線路中能導電順暢，在步驟444中使用了絞合線線端。然后在步驟445中將電樞裝入電機。
根據(jù)本發(fā)明制造的電機具有成本低、效率高的特點，而且擁有與用于發(fā)電用途的發(fā)電機、飛輪存儲系統(tǒng)的電動發(fā)電機同樣的功能。例如，根據(jù)本發(fā)明制造的電動發(fā)電機可用于飛輪儲能系統(tǒng)，如在2001年10月15日的申請No.09/977,678中題為“感應器交流發(fā)電機飛輪系統(tǒng)”所顯示的。
顯然，依據(jù)本發(fā)明披露的內(nèi)容，許多熟悉此技術(shù)的人可以對本文描述的首選方式進行無數(shù)的修正和變更。例如，雖然此處公開的所有實施例都是使用永磁來生產(chǎn)與空氣隙中的電樞起作用的磁通量，但可以預期的是該磁通量也可以由傳統(tǒng)的或超導的固定勵磁線圈生產(chǎn)。2002年12月13日遞交的申請No.10/319,190中題為“輕重量級高功率電子機械”中介紹了勵磁線圈電機，在2004年6月5日出版的美國專利6,750,588題為“高性能軸向空隙交流發(fā)電機電機”中也有介紹。因此，我們想將這些修正、變更等都包含在本發(fā)明的精神和范疇中。下面我們將詳細說明我們的
權(quán)利要求
權(quán)利要求
1.一種用于轉(zhuǎn)換電能和旋轉(zhuǎn)機械能的電動發(fā)電機，包括一個圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，由兩個以一定間距隔開的同步旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子部件組成，該轉(zhuǎn)子部件中有多個磁極，該磁極驅(qū)動磁通量從它們之間的電樞空氣隙穿過；一個與所述的轉(zhuǎn)子磁性互相作用的電樞，所述電樞位于上述電樞空氣隙中，并具有一無磁性并低導電性的模板，繞絲纏繞在該模板上；所述模板上具有一個延伸入上述轉(zhuǎn)子的活動端和與發(fā)電機固定部分相連的支撐端；所述模板由一個較薄的支撐部分和沿著磁通量方向由所述支撐部分向外延伸的較厚的突起部分構(gòu)成；所述繞絲由嵌入上述突起部分之間空隙的多根本身絕緣導線組成，其中每條線上的導體電并聯(lián)在一起且在所述電樞空氣隙中沿其長度彼此絕緣；在纏繞過程中，所述模板為繞絲提供定位位置和支撐，隨后繞組上的電磁感應扭矩通過模板上的所述支撐端與電動發(fā)電機上的固定部分產(chǎn)生反應，并防止所述繞組在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動期間與轉(zhuǎn)子部件接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的電動發(fā)電機，其中上述的磁通量被驅(qū)動軸向穿過所述電樞空氣隙，所述電樞包括一個盤。
3.如權(quán)利要求2所述的電動發(fā)電機，其中所述繞組在每一層只纏繞為一個單相；一個多元相電樞由多重模板以堆疊的方式組合在一起而成。
4.如權(quán)利要求3所述的電動發(fā)電機，還包括在上述堆疊裝置中，模板上用來對準所述模板的孔，因而通過一個適當?shù)慕俏灰?，多元相可以恰當?shù)乇舜藦浹a，而堆疊裝置中的接合緊固件可以將上述模板牢固地連接在一起。
5.如權(quán)利要求3所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述模板上有軸孔，供所述繞組從所述模板上退出，以防止同一個模板上一個單相的繞組重疊。
6.如權(quán)利要求1所述的無刷電動發(fā)電機，其中通過用一條線路在電樞的多重轉(zhuǎn)彎處圓周纏繞多次，可形成一條多重曲折線路。
7.如權(quán)利要求1所述的無刷電動發(fā)電機，其中當發(fā)生繞組重疊時，所述模板在圓周部位沒有支撐部分。
8.如權(quán)利要求1所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述模板的所述突起部分之間的間隔與繞絲中一條線的寬度大致相同。
9.如權(quán)利要求1所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述繞組包括大致非圓周布局的工作長度區(qū)間和大致圓周布局的端點轉(zhuǎn)彎處；上述端部轉(zhuǎn)彎處位于電樞空氣隙外部。
10.如權(quán)利要求1所述的無刷電動發(fā)電機，其中上述線在纏繞上模板繞組之前已被提前壓制成矩形橫截面。
11.如權(quán)利要求1所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述空心電樞由多元相繞組組成，其中的多元相都纏繞到同一個模板上。
12.如權(quán)利要求11所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述繞組在端部轉(zhuǎn)彎處重疊纏繞，因而朝向所述電樞空氣隙方向的所述端部轉(zhuǎn)彎處比所述模板的工作長度區(qū)間厚。
13.如權(quán)利要求1所述的無刷電動發(fā)電機，其中在工作長度區(qū)間的所述單相的繞組呈圓周狀纏繞，比統(tǒng)一地沿圓周與極距同寬的排列更緊密。
14.如權(quán)利要求1所述的無刷電動發(fā)電機，其中在纏繞所述電樞之前，注模所述模板。
15.如權(quán)利要求14所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述模板由熱傳導聚合物制成。
16.如權(quán)利要求1所述的無刷電動發(fā)電機，其中電樞空氣隙是徑向的，所述模板包括一個管子。
17.如權(quán)利要求1所述的無刷電動發(fā)電機，其中大直徑的模板通過將多個圓弧模板部分組合到一起而形成。
18.如權(quán)利要求1所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述電樞由一同步變速電機驅(qū)動，所述電機驅(qū)動變極器為繞組提供交流電。
19.如權(quán)利要求18所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述同步變速電機驅(qū)動變極器由無傳感的通量向量控制。
20.如權(quán)利要求1所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述模板通過一個裝置與所述電動發(fā)電機的固定部分連接，以允許所述模板相對于所述電動發(fā)電機固定部分的熱膨脹。
21.用于轉(zhuǎn)換電能和旋轉(zhuǎn)機械能的電動發(fā)電機，包括一個圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，由兩個以一定間距隔開的鐵磁轉(zhuǎn)子部件組成，該兩個轉(zhuǎn)子部件表面都有永久磁鐵，用以驅(qū)動磁通量穿過它們之間形成的電樞空氣隙；一個位于上述的電樞空氣隙中的電樞，所述電樞由一個大致無磁性并低導電性的模板構(gòu)成，繞絲就纏繞在該模板上；所述模板上有一個延伸入上述轉(zhuǎn)子的活動端和與電動發(fā)電機固定部分相連的支撐端；所述繞絲包括多根本身各自絕緣而電并聯(lián)的導體；通過將線嵌入所述模板表面的管道中，所述繞絲直接纏繞上所述模板，所述管道不但在纏繞過程中提供位置定位，還為繞組運轉(zhuǎn)提供結(jié)構(gòu)上的支撐。
22.如權(quán)利要求21所述的電動發(fā)電機，其中所述磁通量被驅(qū)動軸向通過所述電樞空氣隙，所述電樞包括一個盤。
23.如權(quán)利要求22所述的電動發(fā)電機，其中在每一層，所述繞組只纏繞一個單相；一個多元相電樞由多重模板以堆疊的方式組合在一起而成。
24.如權(quán)利要求23所述的電動發(fā)電機，其中所述模板上的孔用來在上述堆疊裝置中對準所述模板，因而通過一個適當?shù)慕俏灰疲嘣嗫梢郧‘數(shù)乇舜藦浹a，而堆疊裝置中的接合緊固件可以將上述模板牢固地連接在一起。
25.如權(quán)利要求23所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述模板上有軸孔，供所述繞組從所述模板上退出，以防止同一個模板上一個單相的繞組重疊。
26.如權(quán)利要求21所述的無刷電動發(fā)電機，其中通過用一條線路在電樞的多重轉(zhuǎn)彎處圓周纏繞多次，可形成一條多重曲折線路。
27.如權(quán)利要求21所述的無刷電動發(fā)電機，其中當發(fā)生繞組重疊時，所述模板在圓周部位沒有支撐部分。
28.如權(quán)利要求21所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述模板的所述管道的寬度與繞絲中一條線的寬度相近。
29.如權(quán)利要求21所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述繞組包括大致非圓周布局的工作長度區(qū)間和大致圓周布局的端點轉(zhuǎn)彎處；上述端部轉(zhuǎn)彎處位于電樞空氣隙外部。
30.如權(quán)利要求21所述的無刷電動發(fā)電機，其中上述線在纏繞上模板繞組之前已被提前壓制成矩形橫截面。
31.如權(quán)利要求21所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述空心電樞由多元相繞組組成，其中的多元相都纏繞到同一個模板上。
32.如權(quán)利要求31所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述繞組在端部轉(zhuǎn)彎處重疊纏繞，因而朝向所述電樞空氣隙方向的所述端部轉(zhuǎn)彎處比所述模板的工作長度區(qū)間厚。
33.如權(quán)利要求21所述的無刷電動發(fā)電機，其中在工作長度區(qū)間的所述單相的繞組呈圓周狀纏繞，比統(tǒng)一地沿圓周與極距同寬的排列更緊密。
34.如權(quán)利要求21所述的無刷電動發(fā)電機，其中在纏繞所述電樞之前，注模所述模板。
35.如權(quán)利要求34所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述模板由熱傳導聚合物制成。
36.如權(quán)利要求21所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述電樞空氣隙是徑向的，所述模板包括一個管子。
37.如權(quán)利要求21所述的無刷電動發(fā)電機，其中大模板通過將多個圓弧狀模板部分組合到一起而形成。
38.如權(quán)利要求21所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述電樞由一同步變速電機驅(qū)動，所述電機驅(qū)動變極器為繞組提供交流電。
39.如權(quán)利要求38所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述同步變速電機驅(qū)動變極器由無傳感的通量向量控制。
40.如權(quán)利要求21所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述模板通過一個裝置與所述電動發(fā)電機的固定部分連接，以允許所述模板相對于所述電動發(fā)電機固定部分的熱膨脹。
41.用于轉(zhuǎn)換電能和旋轉(zhuǎn)機械能的電動發(fā)電機，包括繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，由兩個以一定間距隔開的轉(zhuǎn)子部件構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)部件中有磁極，驅(qū)動磁通量流過它們之間的電樞空氣隙；一個位于上述的電樞空氣隙中的電樞，電樞由一個完全無磁性和低導電的模板構(gòu)成，繞絲就纏繞在該模板上；模板上有一個延伸入上述轉(zhuǎn)子的活動端和與所述電動發(fā)電機固定部分相連的支撐端；在模板活動端和支撐端之間上有一個較薄的支撐部分，在那里支撐部分表面突起，可以夾緊繞絲并在纏繞過程中提供控制力；所述模板為所述繞組提供位置和支持，并幫助隨后的電磁感應扭矩通過模板上的支撐端在繞組上對電動發(fā)電機固定部分的傳輸，并防止所述繞組在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動期間與轉(zhuǎn)子部件接觸。
42.如權(quán)利要求41所述的電動發(fā)電機，其中上述的磁通量被驅(qū)動軸向穿過所述電樞空氣隙，所述電樞包括一個盤。
43.如權(quán)利要求42所述的電動發(fā)電機，其中在每一層，所述繞組只纏繞為一個單相；一個多元相電樞由多重模板以堆疊的方式組合在一起而成。
44.如權(quán)利要求43所述的電動發(fā)電機，其中在上述堆疊裝置中，模板上用來對準所述模板的孔，因而通過一個適當?shù)慕俏灰?，多元相可以恰當?shù)乇舜藦浹a，而堆疊裝置中的接合閉鎖裝置可以將上述模板牢固地連接在一起。
45.如權(quán)利要求43所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述模板上有軸孔，供所述繞組從所述模板上退出，以防止同一個模板上一個單相的繞組重疊。
46.如權(quán)利要求41所述的無刷電動發(fā)電機，其中通過用一條線路在電樞的多重轉(zhuǎn)彎處圓周纏繞多次，可形成一條多重曲折線路。
47.如權(quán)利要求41所述的無刷電動發(fā)電機，其中當發(fā)生繞組重疊時，所述模板在圓周部位沒有支撐部分。
48.如權(quán)利要求41所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述模板的所述突起部分之間的間隔與繞絲中一條線的寬度大致相同。
49.如權(quán)利要求41所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述繞組包括大致非圓周布局的工作長度區(qū)間和大致圓周布局的端點轉(zhuǎn)彎處；上述端部轉(zhuǎn)彎處位于電樞空氣隙外部。
50.如權(quán)利要求41所述的無刷電動發(fā)電機，其中上述線在纏繞上模板繞組之前已被提前壓制成矩形橫截面。
51.如權(quán)利要求41所述的無刷電動發(fā)電機，其中空心電樞由多元相繞組組成，其中的多元相都纏繞到同一個模板上
52.如權(quán)利要求51所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述繞組在端部轉(zhuǎn)彎處重疊纏繞，因而朝向所述電樞空氣隙方向的所述端部轉(zhuǎn)彎處比所述模板的工作長度區(qū)間厚。
53.如權(quán)利要求41所述的無刷電動發(fā)電機，其中在工作長度區(qū)間的所述單相的繞組呈圓周狀纏繞，比統(tǒng)一地沿圓周與極距同寬的排列更緊密。
54.如權(quán)利要求41所述的無刷電動發(fā)電機，其中在纏繞所述電樞之前，注模所述模板。
55.如權(quán)利要求54所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述模板由熱傳導聚合物制成。
56.如權(quán)利要求41所述的無刷電動發(fā)電機，其中電樞空氣隙是徑向的，所述模板包括一個管子。
57.如權(quán)利要求41所述的無刷電動發(fā)電機，其中大模板通過將多個圓弧模板部分組合到一起而形成。
58.如權(quán)利要求41所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述電樞由一同步變速電機驅(qū)動，所述電機驅(qū)動變極器為繞組提供交流電。
59.如權(quán)利要求58所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述同步變速電機驅(qū)動變極器由無傳感的通量向量控制。
60.如權(quán)利要求41所述的無刷電動發(fā)電機，其中所述模板通過一個裝置與所述電動發(fā)電機的固定部分連接，以允許所述模板相對于所述電動發(fā)電機固定部分的熱膨脹。
61.用于轉(zhuǎn)換電能和旋轉(zhuǎn)機械能的電動發(fā)電機包括繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，帶有磁極，驅(qū)動磁通量流過它們之間的電樞空氣隙；一個位于上述的電樞空氣隙中的電樞，電樞由一個大致無磁性和低導電性的模板構(gòu)成，繞絲就纏繞在該模板上；所述模板由一個較薄的支撐部分和順著磁通量方向從支撐部分向外延伸的較厚的突起部分構(gòu)成；所述繞絲纏到所述模板上，所述模板通過將繞絲擠過線的直徑橫截面固定所述繞絲；所述模板把繞組上的電磁感應扭矩傳輸?shù)剿鲭妱影l(fā)電機的固定部分。
62.如權(quán)利要求61所述的電動發(fā)電機，其中所述繞絲包括多根本身絕緣的導線，其中每條線上的導體都電并聯(lián)，在電樞空氣隙中彼此絕緣。
63.如權(quán)利要求61所述的電動發(fā)電機，其中所述模板由模塑制成。
64.如權(quán)利要求61所述的電動發(fā)電機，其中所述模板機械地擠壓位于電樞空氣隙中的繞組。
65.一種制造電動發(fā)電機的方法，所述電動發(fā)電機包括一圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子中有驅(qū)動磁通量流經(jīng)電樞空氣隙的磁極和所述電樞空氣隙中的電樞，包括選擇一個帶有管道的電樞繞組模板用來安裝繞絲，所述管道包括接納工作長度繞絲的截面，該繞絲順磁通量方向垂直伸向所述空氣隙，當所述電樞安裝上所述電動發(fā)電機時，繞組會垂直轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向；將線纏入管道并將線圈或蜿蜒線圈中的線連接到一起，制成所述電動發(fā)電機的電樞；兩個同步旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子部件，用繞絲將其相對的面纏繞到一起之后，嵌入模板，其中至少一個面上有磁體；將電樞的一邊與所述電動發(fā)電機的固定裝配相連接。
66.如權(quán)利要求65所述的方法，還包括將若干纏繞的模板與相鄰模板堆疊，并以X度旋轉(zhuǎn)，這里的X指的是360除以所述電動發(fā)電機的相數(shù)。
67.如權(quán)利要求65所述的方法，還包括在纏繞過程中通過壓縮所述線，將線擠入所述管道中。
全文摘要
一種電動發(fā)電機包括一個圍繞著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和一個固定不動與轉(zhuǎn)子相互磁作用的定子。轉(zhuǎn)子由兩個以一定間距隔開的轉(zhuǎn)子部件組成，具有磁極，驅(qū)動磁通量從它們之間的電樞空氣隙穿過。電樞，位于電樞空氣隙，具有一個完全無磁性和低導電的模板，而繞組則纏繞于模板之上。模板上有一個延伸入轉(zhuǎn)子的活動端，和一個連接到電動發(fā)電機的固定部分的支撐端。模板由一個較薄的支撐部分和一個較厚的突出部分組成，突出部分從支撐部分順著磁通量的方向延伸。繞絲由多根本身絕緣的導線組成。每條線上的導體都電并聯(lián)，并彼此在電樞的空氣隙內(nèi)部沿其長度方向絕緣。通過在突起部分之間嵌入線，繞絲纏到模板上；在纏繞過程中，模板為繞絲提供位置和支持，隨后繞組上的電磁感應扭矩通過模板上的支撐端與電機上的固定部分產(chǎn)生反應，防止繞組在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動期間與轉(zhuǎn)子部件接觸。
文檔編號H02K21/24GK101019298SQ200580008187
公開日2007年8月15日 申請日期2005年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月14日
發(fā)明者克里斯托弗·W·加布瑞斯, 蒂莫西·S·羅杰斯 申請人:瑞佛路申電動機有限公司