CN101523694B - 利用低损耗材料的高效高速的电气装置 - Google Patents

Abstract

本发明大体涉及一种诸如电动机、发电机或再生电动机的电气装置，其具有由先进的低损耗材料制成的缠绕定子铁芯。在优选实施例中，电气装置是轴向空隙式构造。本发明提供具有高极数的电气装置，其在具有高效率以及高的扭矩密度和功率密度的情况下以高的换向频率运行。由本发明开发的先进的低损耗材料包括非晶态金属、纳米晶体金属和优化的Fe基合金。

Description

利用低损耗材料的高效高速的电气装置

相关申请的交叉引用

本申请是2004年1月30日提交的美国专利申请序列号10/769,094的部分继续申请，并且还要求分别于2003年1月31日和2003年10月21日提交的美国临时专利申请序列号60/444,271和60/513,892的优先权，上述各申请通过引用而整体结合于本文中。 

技术领域

本发明涉及一种电气装置，尤其涉及一种旋转式电机，其能够在具有高效率以及高功率密度和扭矩密度的情况下以高的换向频率运行。 

背景技术

电动机与发电机工业不断地寻找提供具有提高的效率和功率密度的电动机和发电机。电磁装置的功率与装置的激励频率(有时也被称为换向频率或电频率)相关，使得装置的激励频率的增加使功率提高。因此，当需要提高功率时，常常需要具有较高激励频率的电机。通常可将同步电机的同步频率表示为f＝N·P/2，其中f是以Hz为单位的电机的激励频率，N是以转每秒为单位的速度，P是电机的极数。由此可知，当电机的速度增加时，频率增加，并且功率增加。同样地，当极数增加时，获得相同转速所需的激励频率增加。然而，当极数增加时，对于给定的转速，电机的构件中的磁通量的时间变化率也增加，从而导致由于增加的铁损而产生废热。在传统装置中内部产生的热的主要部分是主要由于用于定子的软磁材料的磁滞而产生的铁损，但是在转子磁体和暴露于交变磁场的其它传导构件中也出现磁损耗。 

过去制造高频电机(即具有大于400Hz的频率的电机)的努力通常 包括在高速下的低极数，以便将损耗保持在可接受的极限内。现在大多数的电机使用包含按硅的重量计大约3.5％或更少的传统硅铁合金(Si-Fe)。特别地，在传统的Si-Fe基材料中由于以大于大约400Hz的频率改变的磁场而产生的损耗使材料加热到装置不能由任何可接受的装置进行冷却的点。因此，在此以前认为利用高频激励以获得高功率的电机实际上不可能实现并因此在商业上不可行。然而，仍然存在对以高激励频率运行并且同时在不需要任何费心的冷却方案的情况下仍提供高效率和大功率密度的组合的电机的持续需求。 

非晶态金属和其它先进的磁性材料的研发已使得人们相信利用这些材料的磁芯制成的电动机与发电机可潜在地提供比可在传统的电动机和发电机中得到的高得多的效率和功率密度。特别地，非晶态金属呈现希望的低损耗特性，使人想到利用非晶态金属的磁芯制成的定子在理论上可产生具有提高效率的电机。然而，早先将非晶态材料结合到传统电机中的努力没有在商业上获得成功，因为大多数简单地包括利用非晶态材料置换低频电机的传统磁芯中的硅铁。尽管这些电机中的一些提供适度提高的效率和较低的损耗，但是非晶态金属的较低的饱和感应(通量密度)有害地降低了功率输出。此外，非晶态金属的独特的机械特性使其即使不是不可能、也是明显更难于利用通常在构造传统的电机中采用的技术进行处理。基于将招致的不可接受的高处理成本和制造成本，因此不认为该替换是可行的。 

例如，美国专利4,578,610公开了具有通过简单地盘绕非晶态金属带的条而构造的定子的高效率电动机，其中缠绕非晶态带然后开沟槽，并且然后将合适的定子绕组放置在沟槽内。 

美国专利4,187,441公开了一种具有由非晶态金属带制成的螺旋缠绕的分层磁芯的高功率密度电机，该非晶态金属带具有用于容纳定子绕组的沟槽。该专利还公开了利用在非晶态芯中切出沟槽的激光束。 

尽管围绕在电机中使用非晶态金属进行了有意义的研究，但至今 已证明非常难于利用低损耗材料而有成本效率地提供可容易制造的电气装置。许多人已放弃研制具有非晶态金属的磁芯的商业上可行的电机的努力。因此，希望提供一种高效率的电气装置，其完全具有与低损耗材料相关的特定特性，从而消除与现有技术相关的缺点。 

发明内容

本发明大体涉及一种旋转式电力装置，包括但不局限于电动机、发电机或再生电动机(在此统称为“电气装置”、“电磁装置”、“电机”等)。在此使用再生电动机以指示可作为电动机或发电机运行的装置。在某些实现中，电气装置是组合装置中的构件。这种组合装置的实例是包括整体地连接到至少一个风扇的一个或多个电动机的压缩机。优选地，本发明涉及一种具有改善特性的高效电气装置。更优选地，本发明涉及一种能够以高的频率运行的高效电气装置。 

包括本装置的旋转电机通常包括被称为定子的固定构件和被称为转子的同轴设置的旋转构件。转子和定子的邻近的面由小的空隙分开，该空隙由连接该转子和定子的磁通量横越。本领域的技术人员要理解的是，旋转电机可包括多个机械连接的转子和/或多个定子。实际上所有旋转电机传统地分类为径向空隙式或轴向空隙式。径向空隙式电机是转子与定子径向地分开并且横向磁通量主要垂直于转子的旋转轴线引导的电机。在轴向空隙式装置中，转子和定子轴向地分开并且通量主要平行于旋转轴线横越。本发明的原理可应用于这两种类型的电机以及其它的电机类型，诸如由2004年6月9日提交的、名称为“Radial Airgap，Transverse Flux Motor”的共同拥有的美国专利申请序列号10/864,040所描绘的构造。该申请在此通过引用而结合于本文中。除某些特定的类型以外，电动机和发电机通常采用一种或多种类型的软磁材料。“软磁材料”意思是容易地并且有效地磁化和消磁的铁磁性材料。在各磁化循环期间不可避免地耗散到磁性材料中的能量称作磁滞损耗或铁损。磁滞损耗的大小是激励振幅和频率的函数。软磁材料还呈现高的导磁率和低的磁矫顽性。电动机和发电机还包括磁通 势源，其可由一个或多个永磁体或由载流绕组环绕的附加软磁材料提供。也称为“硬磁性材料”的“永磁材料”意思是具有高的磁矫顽性和强烈地保持其磁化并反抗消磁的磁性材料。取决于电机的类型，永磁材料和软磁材料可设置在转子或定子上。 

到目前为止，当前生产的电机的优势是使用作为软磁材料的各种等级的电工钢或电动机钢，其为具有一种或多种合金元素、尤其地包括Si、P、C和Al的Fe合金。更普遍地，Si是主要的合金元素，并且该材料是无取向的。尽管通常认为，与传统的径向空隙式电动机和发电机相比较，具有利用先进的永磁材料构造的转子和带有利用先进的低损耗软材料、诸如非晶态金属制成的芯的定子的电动机和发电机具有提供明显较高的效率和功率密度的潜能，但是几乎没有成功地制造这种轴向空隙式电机或径向空隙式电机。 

本装置的定子组件具有由低损耗的高频材料制成的磁芯。优选地，定子的磁芯由先进的低损耗软磁材料制成。这种材料的代表性实例包括某些非晶态金属、纳米晶体(nanocrystalline)金属和优化的Fe基合金。后者是可以为晶粒取向或非晶粒取向的晶体材料。优选地，先进的低损耗软磁材料的特征为低于“L”的铁损，其中L由公式L＝12·f·B^1.5+30·f^2.3·B^2.3给出，其中L是以W/kg为单位的损耗，f是以KHz为单位的频率，B是以特斯拉为单位的峰值磁通量密度。这些材料中的一种或多种材料的使用使得装置的激励频率能增加到400Hz以上，其中铁损只具有较小的增加，这相比于传统电机中呈现较大的增加。得到的装置高效并且能够提供增加的功率。 

在一方面中，本发明提供具有高的极数的高效电气装置，其能够提供增加的功率密度、改善的效率和更方形的扭矩-速度曲线。该装置的优选实施例采用轴向空隙式构造，其包括至少一个定子组件，该至少一个定子组件包括具有多个沟槽的整体磁芯。沟槽缠绕有定子绕组。电磁装置还包括至少一个转子组件，其包括多个转子极。转子组件布置和设置成用于与至少一个定子发生磁相互作用。电磁装置优选 地能够在激励作用下以高于400Hz的频率连续地运行。 

附图说明

当对以下本发明的优选实施例的详细说明和附图作出参考时，将更充分地理解本发明并且另外的优点将变得明显，其中在多个视图中相同的附图标记表示相似的元件，并且其中： 

图1A和图1B分别以平面图和侧视图描绘了本发明的定子结构； 

图2以平面图描绘了根据本发明的包括定子绕组的定子结构； 

图3A和图3B分别以平面图和侧视图描绘了本发明的转子结构，示出磁体的位置和极性； 

图4以平面图描绘了用于本发明的轴向空隙式电动机几何形状的定子/转子布置； 

图5A和图5B是描绘扭矩vs速度曲线的图表，以比较传统电动机与本发明的电动机的性能； 

图6是描绘在0.4kHZ处、各种软磁材料的铁损vs磁通量密度的图表； 

图7是描绘在1.0kHZ处、各种软磁材料的铁损vs磁通量密度的图表； 

图8是描绘在2.0kHZ处、各种软磁材料的铁损vs磁通量密度的图表； 

图9是描绘在0.5T的磁通量密度处、各种软磁材料的铁损vs频率的图表； 

图10是描绘在1.0特斯拉的磁通量密度处、各种软磁材料的铁损vs频率的图表； 

图11是描绘在1.5特斯拉的磁通量密度处、各种软磁材料的铁损vs频率的图表； 

图12是表示实现根据本发明的利用低损耗材料设计高效高速轴向空隙式电气装置的方法的流程图； 

图13是定子芯的一部分的透视图，以描绘在实现由图12表示的本发明的设计方法中使用的某些芯尺寸； 

图14是采用表面图形式的图表，以描绘用于根据本发明设计的电机的扭矩与某些定子尺寸之间的关系；和 

图15是适于在本发明的径向空隙式电机中使用的定子形状的平面图。 

具体实施方式

参考附图，以下将更详细地说明本发明的优选实施例。本发明的方面包括具有由低损耗材料制成的绕线定子芯的诸如无电刷电动机的电气装置的设计和/或制造。优选地，定子芯由选自非晶态金属、纳米晶体金属和优化的Fe基合金的至少一种先进的低损耗磁性材料构成，所述材料包括晶粒取向材料和非晶粒取向材料。以下的段落提供这些先进的低损耗磁性材料的实例和涉及各实例的简短讨论。用于这种先进的低损耗材料的普通定义如下。 

先进的低损耗材料

在优选电气装置中的非晶态材料、纳米晶体材料或优化的Fe基材料的结合使得电机的频率能够从通常的行频(50-60Hz)增加到400Hz或更高，其中仅有铁损的较小的增加，这相比于利用诸如商业上的Si-Fe合金的传统磁芯材料的传统电机中的较大的增加。定子芯中低损耗材料的使用允许高频率、高极数的电气装置的研发，其能够提供增加的功率密度、改善的效率和更方形的扭矩-速度曲线。优选地，定子组件包括选自非晶态合金、纳米晶体合金或优化的Fe基合金的至少一种材料。 

非晶态金属

亦称金属玻璃的非晶态金属存在于适于在本装置中使用的许多不同成分中。金属玻璃通常由从熔体迅速淬火、例如通过以至少大约 10⁶℃/s的速度冷却必要的成分的合金熔体形成。它们不呈现长程的原子有序并具有只示出扩散晕的X光衍射图，类似于对无机氧化物玻璃所观察到的。在授予Chen等的美国专利RE32,925中提出具有合适磁特性的许多成分。非晶态金属通常在20cm或以上的宽度上以薄带(例如至多大约50μm的厚度)的延伸长度的形式供应。授予Narasimhan的美国专利4,142,571公开了可用于形成不定长度的金属玻璃条的过程。适于在本发明中使用的示意性非晶态金属是由Metglas，Inc.，Conway，SC销售的、呈不定长度带的形式的并达到大约20cm宽和20-25μm厚的METGLAS 

2605 SA1(见http://www.metglass.com/products/page5_1_2_4.htm)。还可使用具有必要特性的其它非晶态材料。 

非晶态金属具有必须在磁性工具的制造和使用中考虑的许多特征。不同于大多数软磁材料，非晶态金属(亦称为金属玻璃)非常薄并且硬和脆，尤其在通常用于优化它们的软磁特性的热处理之后。结果，通常用于对电机的传统软磁材料进行处理的许多机械操作难于或者不可能在非晶态金属上进行。通过模压、冲压、或切割形成的材料通常导致不可接受的工具磨损并且在脆性、热处理材料上实际上不可能。通常还排除常常用于普通钢铁的传统钻削和焊接。 

已知的非晶态金属还呈现比传统Si-Fe合金低的饱和磁通量密度。仅仅利用较低通量密度的非晶态金属替换传统的SiFe合金将产生具有降低的功率密度的电机，因此通常必须改变构造。另外，非晶态金属具有比传统的Si-Fe合金低的热导率和传热系数。由于热导率决定热量有多容易通过材料从暖位置传导至冷位置，所以较低的热导率值使电机的细心设计成为必要，以确保充分地消除磁性材料中由铁损产生的废热、绕组中的电阻损耗、摩擦、游隙和其它损耗源。废热不充分的消除又将使电机的温度不可接受地升高。过高的温度可能导致电气绝缘或其它电机构件过早失效。在有些情况下，过热可导致冲击性危险或者引起对健康和安全的灾难性的火灾或者其它严重的危险。 

传统的Si-Fe合金还呈现比非晶态金属低的磁致伸缩系数。具有较低磁致伸缩系数的材料在磁场的影响下经历较小的尺寸变化，这又将趋向于产生较安静的电机。 

尽管这些挑战，本发明的方面提供一种装置，其成功地结合先进的软磁材料，并允许通过高频激励、例如大于大约400Hz的换向频率进行运行。还提供用于制造该装置的构造技术。由于该构造和先进材料、尤其是非晶态金属的使用，本装置可成功地以高频率(限定为大于大约400Hz的换向频率)运行，并且具有高的极数。非晶态金属在高频率处呈现低得多的磁滞损耗，这导致低得多的铁损。与Si-Fe合金相比，非晶态金属具有低得多的电导率，并且通常比平常使用的常常厚度为200μm或以上的Si-Fe合金薄得多。这两个特性促进较低的涡流铁损。本发明成功地提供一种电机，其利用允许开发非晶态金属的有利特性、诸如较低的铁损的构造而受益于这些有利属性中的一个或多个并从而有效地以高的频率运行，并且同时避免早先使用先进材料的努力中面对的挑战。 

纳米晶体金属

纳米晶体材料是具有大约100纳米或更小的粒径的多晶体材料。与传统的粗晶粒金属相比，纳米晶体金属的属性包括增加的强度和硬度、增强的扩散率、改善的延展性和韧性、减小的密度、减小的模量、较高的电阻、增加的比热、较高的热膨胀系数、较低的热导率、较好的软磁特性、包括较低的铁损。 

可由许多技术形成纳米晶体金属。一种优选的方法包括利用诸如在上文中说明的技术，初始地将必要成分浇注成不定长度的非晶态金属带，并将带形成为诸如缠绕形状的期望构造。此后，热处理该初始的非晶态材料，以在其中形成纳米晶体微结构。该微结构的特征在于存在的高密度晶粒的平均尺寸小于大约100nm、优选地小于大约50nm、更优选地大约10-20nm。晶粒优选地占据铁基合金的至少50％ 的体积。这些优选的材料具有低的铁损和低的磁致伸缩。后一特性还通过由包括该构件的装置的制造和/或操作产生的应力致使材料不太易受磁特性的退化的影响。在给定的合金中产生纳米晶体结构所需的热处理必须在比设计成在其中保存基本完全的玻璃状微结构所需的高的温度下进行，或者持续比设计成在其中保存基本完全的玻璃状微结构长的时间。优选地，纳米晶体金属是铁基材料。但是，纳米晶体金属也可基于或包括其它铁磁性材料，诸如钴或镍。已知适于在构造用于本装置的磁性元件中使用的代表性的纳米晶体合金为例如在授予Yoshizawa的美国专利4,881,989和授予Suzuki等的美国专利5,935,347中提出的合金。这种材料可从Hitachi Metals，Vacuumschmelze GmbH和Alps Electric得到。具有低损耗特性的示意性纳米晶体金属是Hitachi Finemet FT-3M。具有低损耗特性的另一示意性纳米晶体金属是Vacuumschmelze Vitroperm 500Z。 

优化的Fe基合金

该电机还可利用优化的低损耗Fe基晶体合金材料构造。优选地，这种材料具有厚度小于大约125μm、比传统地在电机中使用的钢薄得多的条形式，传统地在电机中使用的钢具有200μm或以上的、并且有时差不多400μm或以上的厚度。可使用晶粒取向和非晶粒取向的材料。如在此使用地，术语“取向材料”表示组分微晶晶粒的主要晶轴不是任意取向、而是主要地沿一个或多个优选方向相关的材料。由于上述微结构，所以取向条材料不同地响应于沿不同方向的磁性激励，而非取向材料各向同性地响应、即大致相同地响应于条的平面中沿任何方向的激励。通常通过本领域已知的方法、通过最普通地包括滚轧的合适的热机械处理获得晶粒取向。因此使晶粒的磁化和磁畴沿滚轧过程的方向取向。该磁畴取向允许内部磁化更容易地沿取向的方向可逆，从而产生沿该优选方向较低的铁损。然而，铁损在正交于优选取向的方向上增加，并且可证明在电气装置的应用中是不利的。如果在 本电机中使用，则晶粒取向材料优选地在该材料的易磁化方向大致与磁通量的主方向一致的情况下设置。 

在“非取向材料”中，晶粒不具有组分晶粒的上述晶序。因此，非取向材料不需要沿相对于磁通量的任何特定方向设置。 

如在此使用地，传统的Si-Fe指的是按硅的重量计算具有大约3.5％或更少的硅含量的硅铁合金。由于具有较高硅含量的Si-Fe合金的差的金属制品材料特性，所以由行业强加硅的3.5wt.％的限度。由在具有大于大约400Hz的频率的磁场下运行产生的传统Si-Fe合金等级的铁损明显高于低损耗材料的铁损。例如，在某些情况下，在本电机令人满意地运行的频率和通量水平处，传统Si-Fe的损耗可达到合适的非晶态金属的损耗的10倍。结果，在许多实施例中，传统材料在高频运行下将加热到传统电机不能由任何可接受的装置冷却的点。然而，有些等级的硅铁合金、在此称为优化的Si-Fe具有合适的低损耗并因此直接适用于生产高频电机。 

在本发明的实践中使用的优化的Fe基合金包括硅铁合金等级，其包括按重量计算大于3.5％、优选地多于4％的硅。在根据本发明的构造电机中使用的非晶粒取向的Fe基材料优选地基本上由具有在量上从大约4至7.5wt.％Si变化的Si与Fe的合金构成。这些优选的合金具有比传统的Si-Fe合金更多的Si。此外可使用诸如铝硅铁粉的Fe-Si-Al合金。 

更优选的非取向优化的合金具有大致由大约6.5±1wt.％Si与Fe构成的合成物。更优选地，合金具有大约6.5％的硅并呈现接近零值的饱和磁致伸缩，使得它们不太易受由在包含该材料的装置的构造和运行期间遭遇的应力所引起的有害磁特性退化的影响。 

优化的目的是获得改善的磁特性的合金，包括减小的磁致伸缩和尤其是较低的铁损。这些有益的特性可在通过合适的制造方法制成的具有增加的硅含量的某些合金中获得。在某些情况下，这些优化的Fe基合金的特征在于类似于非晶态金属的铁损和磁饱和。然而，包含超 过大约4at.％Si的合金因为它们由于短程有序所引起的脆性而难于通过传统方法生产。特别地，用于生产传统Si-Fe的传统滚轧技术通常不能生产优化的Si-Fe。然而，其它已知的技术用于生产优化的Si-Fe。 

例如，日本东京的JFE Steel公司供应作为50和100μm厚的磁性条的Fe-6.5Si合金的一种合适形式(还见http://www.jfe-steel.co.jp/en/products/electrical/supercore/index.html)。还可使用如由授予Das等的美国专利4,865,657和授予Tsuya等的美国专利4,265,682公开的通过快速凝固工艺生产的Fe-6.5％Si。还已知快速凝固工艺用于制备铝硅铁粉和相关的Fe-Si-Al合金。 

优选的软磁材料的损耗特性

本电机优选的材料的改善的损耗特性的主要贡献归因于明显减小的磁滞损耗。如本领域已知的，磁滞损耗归因于在所有软磁材料的磁化期间受阻止的畴壁运动。这种损耗通常在传统使用的磁性材料中、诸如在传统的晶粒取向Si-Fe合金和非取向的电动机钢和电工钢中高于在本电机的优选采用的改善材料中。高的损耗又可造成芯的过热。 

更具体地，发现软磁材料的铁损通常可由以下改进的Steinmetz方程表示： 

L＝a·f·B^b+c·f^d·B^e                 (1) 

其中： 

L是以W/kg为单位的损耗， 

f是以kHz为单位的频率， 

B是以特斯拉为单位的峰值磁通量密度，和 

a、b、c、d和e为对任何具体的软磁材料特定的所有经验损耗系数。 

如在此使用地，术语“先进的低损耗材料”包括其特征为铁损低于“L”的那些材料，其中L由公式L＝12·f·B^1.5+30·f^2.3·B^2.3给出，“L”、“f”、 和“B”限定如上。 

图6-11提供示出在从0.4kHz到2.0kHz变化的各种频率和从0.5特斯拉到1.5特斯拉变化的各种磁通量密度处、各种软磁材料vs磁通量密度或频率的铁损特性的图表(如方程L＝a·f·B^b+c·f^d·B^e限定的)。在以下的表I中提供用于图6-11所示的每种材料的损耗系数。还提供如在下文中更详细地讨论的限定先进的低损耗材料的损耗系数。 

表I 

软磁材料的损耗系数 

损耗  系数	等向粉末Hoeganes  Somalloy 500，  +.05％Kenolube	通常的26  规格M19，  非晶粒取向	晶粒取向的0.014”  Orthosil M6 29规格E1  1/2，Thomas&Skinner	“先进材料”  限定的损耗  限制
					a	40.27	11.39	38.13	12.00
b	2.15	1.62	2.37	1.50
					c	141.24	112.43	14.19	30.00
d	1.15	1.72	3.66	2.30
					e	1.46	2.01	2.14	2.30

表I 

(续表) 

损耗  系数	气相淀积6.5％ Si，JFE Super E 0.10mm	非晶态金属 Metglas 2605SA1， 公开的文献	纳米晶体的， VAC Vitroperm 500Z	纳米晶体的 Hitachi Finemet FT-3M
					a	10.77	0	0	0.00
b	1.85	0	0	0
					c	7.83	6.5	0.84	1.05
d	1.93	1.51	1.5	1.15
					e	1.85	1.74	1	2.32

以上材料中的每种材料是主要由铁基合金构成的软磁材料。在上述表中表示的各系数可从材料的厂家得到，或者可源自可从材料的厂家得到的材料规格；在材料的说明书上经常包括这些系数。为此，软 磁材料的各厂家通常参与工业标准ASTM试验法，该工业标准ASTM产生用于Steinmetz方程的系数可从其中推出的材料规格。 

如图6-11中可观察到的，绘制阈值线段以示出限定“先进的低损耗材料”的损耗阀值的损耗方程。具有在该阀值上方绘制的损耗方程的材料不是“先进的低损耗材料”。具有在该阀值处或低于该阀值绘制的损耗方程的材料在此限定为“先进的低损耗材料”或“先进材料”。如从图6-11中可观察到的，先进的低损耗材料非限制性地包括非晶态金属、纳米晶体合金和优化的Fe基合金。在本装置的运行条件下呈现类似的低损耗的其它软磁材料同样合适。优选地，在本电机中使用的先进的低损耗软磁材料具有至少大约1.2T、并且更优选地至少大约1.5T的饱和磁通量密度。在公开的以下段落中，提供由这种先进的低损耗材料构成的高效率电磁电机的说明。针对从0.4kHz到2.0kHz变化的频率和从0.5特斯拉到1.5特斯拉变化的磁通量密度示出图6-11所提供的绘图，因为这些是用于在此说明的电机的运行的通常范围。然而，在此说明的电机不限于在这种范围内运行。 

总体的装置结构

本发明提供一种电气装置，其包括一个或多个定子和诸如转子的一个或多个磁场组件。该一个或多个定子由先进的低损耗材料形成，诸如非晶态金属、纳米晶体金属或优化的Fe基合金。本电机还包括转子组件，其支承为用于绕轴线旋转并与定子组件同轴地布置和设置成与定子组件发生磁相互作用。设想轴向空隙式构造和径向空隙式构造。本电机可包括一个或多个转子组件和一个或多个定子组件。因此，如在此参考电机使用的术语“转子”和“定子”表示从一个到多至三个或以上的多个转子组件和定子组件。在优选实施例中，本电机具有轴向空隙式构造。更优选地，电机是轴向空隙式DC无刷装置，其采用包括多个周向间隔开的永磁体的盘状转子组件。 

图1A和1B分别示出根据本发明的一个实施例的定子的平面图和 侧视图。先进的低损耗材料的带绕成大的环圈，以形成定子金属芯20。这些带在厚度上通常为0.10mm(0.004″)或更低。当沿轴向方向观察时，由带缠绕的环圈具有内径和外径，其内径和外径限定被称为总面积(TA)的表面积。然后，使金属芯加工有沟槽23，以形成定子的整体磁芯(以下进一步详细讨论)。沟槽减小金属芯的表面积。 

图1A示出定子芯20的内径(d)和外径(D)，并且还示出加工到金属芯20中以形成定子的具有外宽(W)的沟槽23。在去除沟槽后留下的表面积被称为低损耗金属面积。在低损耗材料是非晶态金属的优选实施例中，低损耗金属面积也被称为非晶态金属面积(AMA)。金属芯具有限定内径(d)的内周。内周在开沟槽的部分上不连续。代替地，横过沟槽的内周具有沟槽位于其中的空隙。这些沟槽设计成保持定子绕组。芯的内周的各个剩余部分(即从护铁(backiron)24的单独延伸部分)被称为齿21。 

图1B示出当齿21与定子20的总高度(H)相比较时齿21的高度(T)。总高度包括护铁24的高度加上齿21的高度。存在相等数量的齿21和沟槽23。在优选的实施例中，齿的最狭窄的部分不小于0.100英寸。当在定子上开槽时去除的面积可与传导性定子绕组一起填充有灌注混合物和/或修饰化合物、或薄的有机绝缘材料，如本领域已知的。 

如先前所提及的，在一个实施例中，定子芯由先进的低损耗材料组成并且在结构上是“整体的”。如在此所使用的，在结构为“整体”的定子芯不需要装配两个或多个子构件以使定子芯完整。另外，在此公开的整体定子芯还是“单体式”定子芯。如在此所使用的，术语“单体式”(或“单体”)指的是如下的定子芯：其由软磁材料的薄带分层以形成基本形状，然后从该基本形状去除材料以形成该定子芯(例如在基本形状上开槽以在定子芯上形成齿)。不幸的是，先进的低损耗材料趋向于非常脆，并且证明制造单体式定子芯是困难的。然而，包括先进的低损耗材料的某些厂家的若干企业已利用各种工艺、诸如电火花加工、激光切割、和电气化学研磨和传统的研磨制造由先进的低损耗材料制 成的这种定子。共同受让的美国专利7,018,498提供了一种合适的构造技术，该专利在此通过引用而结合于本文中。 

尽管在此说明的一些定子芯具有单体式的和整体的结构，但可设想各种非整体的和非单体式的定子芯用于本电机中。例如，随后能够将“单体式”定子芯切割成段，使得得到的定子芯不是“整体的”。同样地，“整体的”定子芯可通过将先进的材料模制成包括任何齿的定子芯的形式而形成，但是因为不利用薄带缠绕定子芯以形成随后从基本形状上去除材料的基本形状，所以得到的定子芯不是“单体式的”。 

本装置的某些实现中的定子芯由多个子组件装配而成。例如，由图1A-1B描绘的轴向定子20的齿21和环形护铁部分24可单独形成并结合以提供最终的构造。将单独的构件固定以提供机械完整性并维持成品装置中组成构件的相对定位。 

固定可包括机械结合、夹紧、胶粘、灌注等的任何组合。各种粘合剂可以是合适的，包括由环氧树脂、清漆、厌氧胶粘剂、氰丙烯酸酯和室温硫化(RTV)硅树脂材料构成的粘合剂。粘合剂令人期望地具有低粘度、低收缩量、低弹性模量、高抗剥强度和高介电强度。环氧树脂可以是多部分环氧树脂或单部分环氧树脂，该多部分环氧树脂的固化由化学地活化，该单部分环氧树脂的固化被热力地活化或通过暴露至紫外线辐射而活化。优选地，粘合剂具有小于1000cps的粘度和近似等于金属的、或者大约10ppm的热膨胀系数。 

图2示出整体的单体式定子芯20，其缠绕有定子绕组22。缠绕有定子绕组22的定子20放置在环形壳体中并灌注有合适的有机介电体。能够将多个不相邻的沟槽布线成与大约0.5的每极每相(SPP)值的沟槽对应的共同的磁性部分，其中SPP比通过定子芯中的沟槽数量除以定子绕组中的相数和DC极数而确定(SPP＝沟槽/相/极)。没有被绕组占据的开槽面积、即灌注、清漆和绝缘材料面积是废面积(WA)。总面积与废面积之间的差值被称为有用面积。在SPP＝0.5的某些优选实施例中，发现将有用空间的大约35％+/-10％分配给传导性绕组趋向于使 电机的功率密度(每立方厘米的功率输出)优化。在应用于各定子齿的恒定的基频和恒定的安培匝数的假定下给出该百分比值。通过相同的计算，并且在相同的假定下，发现大约50％+/-10％的不同百分比用于优化扭矩密度(每公斤有效材料的扭矩)。 

能够适当地支承定子布置的任何合适的材料可用于环形壳体。尽管环形壳体优选地为非磁性的，但是对环形壳体材料的传导率没有限制。其它因素也可影响环形壳体材料的选择，诸如机械强度的要求。在特定的实施例中，环形壳体由铝形成。 

如本领域公知的，磁场组件邻近定子本体设置，以布置和设置成用于与该定子发生磁相互作用。图3A和3B分别示出用于轴向空隙式装置的采用转子30的形式的磁场组件的顶视图和侧视图。转子30与定子围绕公共轴线31居中。图3A示出围绕转子定位的具有交变极性的多个磁体32。在不同的实施例中，磁体32的定位和极性可根据电动机设计的需要而改变。在优选的实施例中，转子包括多个永磁体。图3B示出转子沿图3A的线A的侧视图。在图3B所示的转子的实施例中，磁体32延伸通过转子30的厚度。在其它实施例中，磁体32未延伸通过转子30的厚度。优选地，转子布置是盘型转子或轴向型转子，其包括周向间隔开的高能量乘积的永磁体(例如稀土磁体，诸如钴稀土磁体或NdFeB)。磁体具有限定北极和南极的相对端，从而产生大致垂直于盘表面并朝向面对的定子组件而放射的磁通量。磁体32被支承为用于绕沿公共轴线31的轴(未示出)的轴线旋转或任何其它合适的布置，使得处于交变极性的磁极可沿邻近定子布置的预定路径接近。转子30的磁体区域具有外径和内径，该内径形成内部空腔34，以允许转子例如附连至轴，该轴也可与转子托架结构一体地形成。在包括转子和定子的轴向型布置的优选实施例中，转子30的外径和内径大致与定子20的外径和内径相同。如果转子30的外径大于定子20的外径，则转子的外部无助于性能，而是仅仅增加重量和惯性。如果转子的外径小于定子的外径，则结果是性能降低。 

在不同的实施例中，磁体安装在转子上或设置在转子中。可使磁体隔开，使得在交变的磁体之间没有周向地存在余隙。优选的是，使磁体之间的间隔保持为使齿槽扭矩(torque cogging)的出现最少的最优值。在输入电流大大减小之后并且在轴处于0rpm或非常低的rpm的同时，齿槽扭矩为扭矩随位置的变化。具有明显的齿槽扭矩的任何电机可遭受不合需要的性能和声学问题。最优间隔源自首先利用定子20的低损耗金属面积除以定子槽的数量以得到各单独的金属芯齿的面积。已经发现的是，磁体之间的最优间隔为使得各磁体的总面积等于芯齿的面积的175％+/-20％。 

尽管将磁体描述为永磁体，但是这不是必要条件。磁体可以是其它类型的磁性材料，或者在其它实施例中，可以是电磁体、感应式电机等等。此外，尽管在盘型或轴向型的实施例的上下文中大体地讨论了装置，但是本发明的电气装置不局限于轴向型装置。相反，该电气装置可在转子磁体位于径向转子的外周上的情况下具有各式各样的构造，诸如筒型或径向型的电动机。此外，横过转子布置而间隔开的磁体的数量还可在仍然属于本发明范围内的同时进行变化。 

图4示出电气装置的实施例的侧视图，其包括两个定子芯20，所述两个定子芯20在轴向型布置中定位在用于两个定子20的单个转子30的两侧，并沿着与该单个转子30共同的中心轴线31。转子30优选地包括多个周向设置的永磁体，以提供用于与两定子相互作用的转子极。绕组22缠绕在定子20上。在特定的实施例中，发现在单个转子的两侧上包括由Metglas 

合金构成的定子芯的电气装置具有高的功率密度。在仍然属于本发明的范围的同时，对本领域的普通技术人员明显的是设计的变体，其包括根据在此描绘的设计原理的单独构件的尺寸的选择甚至不存在给定的构件。 

图4实施例包括两个定子芯和在两个定子芯之间的一个转子布置。然而，要指出的是，本发明的电气装置还允许根据需要堆叠许多附加的交替的定子和转子布置，以满足预期应用的需要。定子壳体通 常是另一个的镜像，因此只详细说明一个定子芯。 

其它构造同样适于本电机。例如，图15描绘了具有从护铁63径向向内延伸的齿62和沟槽61的定子60。这种定子通常通过将先进的低损耗软磁材料的多张薄平面叠层结构对准叠置的层压法形成。本电机的径向空隙式实施例可采用如图所示的具有16个齿和沟槽的定子和相关的定子绕组(未示出)。这种定子可与合适构造的12个磁体的转子一起使用，以产生四相的径向空隙式装置。本装置的径向通量实施例也可构造有其它数目的沟槽和相。 

在本发明的另一方面中，提供一种电机系统，其包括根据在此提出的原理设计的高效电机和可操作地连接到该电机的功率电子装置。对于电动(motoring)应用，电机通过功率电子装置连接到电源，诸如电网、电化学电池、燃料电池、太阳能电池或任何其它合适的电能源。任何必要类型的机械负载可连接到电机轴。 

电动电机必须直接地或者通过DC功率的整流供应有AC功率。尽管机械整流已长时间与刷式电机一起使用，但高功率半导体器件的可用性使得能够实现功率电子装置的设计，该功率电子装置包括电路以提供电子整流。因此，许多现代永磁电动机避免了对电刷和机械整流的需求。 

在发电模式中，电机轴机械地连接到可以是旋转机械能的任何源的原动机。系统还通过功率电子装置连接到电力负载，该电力负载可包括任何形式的电气设备或电能储存器。电机系统还可用作例如连接到车辆的驱动轮的系统的再生电动机系统，其交替地向车辆提供机械推力和将车辆的动能返回地转变成在电池等中储存的电能，以实现制动。 

认为许多的电动机和发电机同步地运行，这意味着AC输入或输出功率具有与旋转频率和极数相当的频率。因此，直接连接到电网、例如连接到由电力公司通常提供的50或60Hz的电网或常常在船舶和航天系统中使用的400Hz电网的同步电动机以特定的速度运行，其中 仅仅通过改变极数可获得的同步速度发生变化。对于同步发电，通常必须控制原动机的旋转速度，以提供稳定的相当的输出频率。有些原动机内在地提供电机所不能容忍的太高或太低的旋转速度，该电机具有在已知设计的实际限制内的极数。在这种情况下，旋转电机不能直接连接到原动机的轴，所以尽管伴随增加的复杂性、效率的损失和潜在的机械故障，但是常常必须采用变速箱。已知超速驱动(即输出速度高于输入速度)变速箱特别不可靠。例如，风力涡轮机缓慢地旋转以致需要不合需要的超速传动变速箱或具有非常大的极数的传统设计的发电机。另一方面，为了获得具有期望的机械效率的正确运行，通常的燃气涡轮机迅速地旋转，以致甚至在低的极数下，通过直接驱动的发电机的频率输出为不可接受的高。对于电动应用和发电应用的替换是有功功率转化。 

如在此使用的，术语“功率电子”理解成表示电子电路，其适于将作为直流(DC)或特定频率和波形的交流(AC)供应的电源转化成作为DC或AC的电功率输出，所述输出和输入至少在电压、频率和波形中的至少一个方面不同。该转化通过功率电子转化电路完成。对于除AC功率利用普通变换器的简单变压以外的情形，现代功率转化通常采用非线性半导体器件和提供主动控制的其它相关的构件，其中该普通变换器保持AC的频率和简单的桥式整流以提供DC。在控制电路中常常包括合适的电压和电流控制与调整。 

如在此讨论的，根据本发明构造的电机可在比传统装置宽得多的旋转速度范围内作为电动机或发电机运行。合适的功率电子装置还便于在类似的宽范围内的变速运行，这在许多不同的最终用途中是期望的。在许多情形下，可排除在此以前在电动机和发电机的应用中所需要的变速箱。但是，得到的益处还需要使用功率电子装置，其可在比传统电机中所采用电子频率范围更宽的电子频率范围内运行。 

取决于电机系统的期望性能，电机的工作特性及其相关的功率电子装置被最好地共同优化。期望的性能特性的实例包括高频整流、保持低的电感和保持可接受的低速度控制。合适的功率电子装置是用于从电气装置获得最大可能性能的关键要素。较差的功率电子装置也可导致功率电子装置(PE)脉动和可不利地影响性能的在电气装置运行期间的扭矩不合需要的变化。

利用低损耗材料的高极数的高频设计

本结构和方法可应用于具有从低到高变化的极数的电机。但是，本构造的益处尤其在如下的电机系统中得以实现，其中在定子中低损耗材料的结合允许高极数的使用以及以高于通常行频的频率的运行。例如，在某些实施例中，本发明提供具有高极数的无刷永磁电气装置，其以至少200Hz的换向频率运行。更优选地，电机适于以大于大约500Hz的换向频率、更加优选地以从大约500Hz到3kHz或以上的换向频率连续运行。最优选地，电机在激励下以从大约600Hz至1200Hz的频率、例如以大约1000Hz的频率运行。 

设计者传统地避免用于高速电机的高极数，因为传统的定子芯材料、诸如Si-Fe不能以高极数所必需的成比例更高的频率运行。特别地，由于由材料内改变的磁通量所产生的铁损，所以利用Si-Fe的已知装置不能以显著高于400Hz的磁频切换。超过该限度，铁损使材料加热到装置不能由任何可接受的装置进行冷却的点。在某些条件下，Si-Fe材料的加热甚至可严重到电机无论如何不能冷却，并且将自毁。然而，已确定的是，合适的非晶态金属、纳米晶体金属和优化的Fe基金属的低损耗特性允许比传统的Si-Fe材料可能切换速度的高得多的切换速度。尽管在优选实施例中非晶态金属合金的选择、例如 

2605SA1合金消除由于在高频率下运行的受热而产生的系统限制，但是还改善绕组构造、转子设计和总体的电机构造，以较好地利用非晶态材料的有益特征。 

利用高得多的激励频率的能力允许本电机设计有宽得多的可能的极数范围。在本装置中的极数是基于实际生产的磁体的最小尺寸、 可允许的电机尺寸(物理约束)和期望的性能范围的变量。在可允许的激励频率限度的条件下，可增加极数，直到磁通量泄漏增加到不合需要的值或者性能开始降低。 

在优选电机中的极数和沟槽数可达96或更多。对于诸如风力驱动发电机的某些低速装置，优选甚至更高的值(两倍或更多)。当在相同的速度范围内运行时，提供的电机通常比工业中的通常装置更有效，并且因此提供较大的可能速度范围。本构造以将高能量效率、高功率密度、装配简易性、和昂贵的软磁材料和硬磁性材料的有效使用相结合的方式，尤其对具有非常宽的速度范围、功率范围、和扭矩额定范围的电机的结构有吸引力。在实践中，转子极的数量也受伴随定子结构的机械极限所约束，因为定子沟槽必须与转子磁体一致。这些机械约束和电磁约束共同限制对于给定的框架尺寸在定子中可形成的沟槽的数量。可设定一些边界，以便为提供铜与软磁材料的合适平衡的给定定子框架确定沟槽数量的上限。可将平衡的调节用作在形成性能良好的轴向空隙式电机中的参数。因此，本电机的优选实施例通常具有通常用于可比较物理尺寸的现有工业电机的大约4倍或5倍的极数。 

作为实例，对于具有6极至8极的典型工业电动机，对于处于大约800至3600rpm的速度的电动机，换向频率为大约100至400Hz。此外，在工业中可用的是大于大约16极的高极数，但低于1000rpm的速度，其仍对应于低于300Hz的频率。可选的是，也可获得具有(低于大约6极的)较低极数、并且具有高达3000rpm的速度的电动机，其仍具有低于大约400Hz的换向频率。在不同的实施例中，本发明提供的电机例如为处于1000Hz时，96极、1250rpm；处于1080Hz时，54极、3600rpm；处于1000Hz时，4极、30000rpm；和处于1000Hz时，2极、60000rpm。因此，当与“标准”电动机相比较时，本发明的电动机提供高4或5倍的频率。在相同的速度范围内运行时，本发明的电动机比工业中典型的电动机更高效，并且因此提供较大的速度选择。 

每极每相槽数比

电机的每极每相槽数(SPP)通过定子槽的数量除以定子绕组中的相数和DC极的数量而确定(SPP＝沟槽/相/极)。在本说明书和SPP值的计算中，极指的是不随时间变化的磁场，在此还称为DC场，其与改变的磁场相互作用，即随时间和位置在幅度和方向上变化的场。在优选实施例中，安装在转子上的永磁体提供DC场，因此不随时间改变的磁极的数量在此称作DC极。在其它实施例中，DC电磁体可提供转子DC场。定子绕组的电磁体提供改变的磁场，即随时间和位置改变的磁场。沟槽指的是本电机的定子的交变齿之间的间隔。极数是各定子齿在转子的每转期间遇到的极对数的两倍。 

传统的电机常常设计成具有1至3的SPP比，以获得可接受的功能性和噪声水平，并且由于较好的绕组分布而提供较平稳的输出。1或以上的SPP比固有地需要分布式匝数。然而，寻求具有分数的SPP值、例如0.5的设计，以减小端匝的影响。端匝是定子线圈中的电线的连接沟槽之间的绕组的部分。尽管当然需要这种连接，但端匝无助于电机的扭矩和功率的输出，而且在不提供益处的同时仍增加必需的布线的总量和长度并且造成电阻损耗。传统构造中的低SPP值还趋向于升高功率电子装置脉动的水平和伴随的有害的扭矩变化。因此，机械设计者的一个目标是使端匝最少，同时仍提供具有可控制的噪声和齿槽扭矩以及低的功率电子装置脉动的电机。 

然而，先进的低损耗材料的使用允许沟槽和极数以及换向频率伴随地增加，以便能将噪声和磁阻保持在可接受的水平。因此，本电机优选地实现为具有从大约0.25至4.0的SPP比。 

例如，四相构造可具有48沟槽和36极，导致SPP＝0.33，而三相实施例可具有用于SPP＝0.25的48沟槽和64极。在不同的代表性实施例中，SPP比为0.25、0.33、0.5、0.75、1.0或大于1.0。更优选地，SPP比从大约0.25至1。在更加优选的实施例中，SPP比为0.5。 

多个沟槽布线成公共磁路的实施例具有大于0.5的SPP。这是由于定子槽的数量大于转子极的结果，从而产生分布式绕组。另一方面，小于或等于0.5的SPP值表示不存在分布式绕组。工业中的惯例是在定子中包括分布式绕组。但是，分布式绕组将提高SPP值，并降低频率。 

在某些实施例中，具有分数SPP比和非分布式绕组的电机有益地采用模块化线圈。如在此所使用的，术语“分布式绕组”表示绕组围绕多个齿而不是单个齿的定子线圈，如在上文中所说明的。可选择性地用于本电机的模块化线圈可预形成，然后在不成渐缩形的单个齿分段上滑动。尽管三相的Y形连接构造是工业惯例，但也预想三角形连接。本电机还可采用以叠置构造进行设置的绕组，如在共同拥有的美国专利申请序列号10/979,336中所公开的。然而，本领域中已知的任何绕组布置是可应用的。绕组可围绕齿形成在适当的位置，或者它们可单独地制备成组件并在齿端上滑动。 

此外，在其中设置电机的较高极数的情况下，并且在0.5或以下的SPP比的情况下，可将转子的磁体(通常和转子结构)制造得较薄和较便宜。 

布线/绕组设计中的灵活性

本装置的优选实现有利地允许厂家利用不同的绕组构造。因为上文关注利用1.0至3.0的SPP比，这需要将绕组分布在多个沟槽上，所以传统的定子设计限制绕组设计选择。在分布式绕组的情况下变得难于具有多于两个或三个的绕组选择。本发明提供利用SPP＝0.5的设计的能力，其中每定子齿通常只存在一个离散线圈。但是本发明不排除SPP＝0.5的其它布置。单个的齿线圈可容易地更改并重新连接，以提供给定应用所需要的任何电压。因此，单组的电动机硬件可简单地通过改变线圈而提供宽范围的解决方案。通常，线圈是电磁电路中容易更改的构件。 

因此，假定在本发明的装置中SPP比接近0.5，则关于定子绕组构造存在明显的灵活性。例如，厂家可相互独立地缠绕各定子，或者厂家可在相同的定子内提供单独的定子绕组。这种能力是具有等于0.5的SPP的系统的优点之一。尽管偶尔存在采用SPP＝0.5的工业系统，但它们不普遍并且只在适当的应用中获得成功。本发明成功地提供SPP＝0.5的系统，其允许这种在绕组中的灵活性。 

热特性和效率

消散足够废热的能力是限制实际上每个电机的输出率的因素。无论使用什么软磁材料，废热来自许多源，但主要地来自绕组中的电阻损耗、集肤效应损耗和邻近效应损耗、来自磁体和其它转子构件的涡流的转子损耗、和来自定子芯的铁损。由于废热随转速而增加，所以传统电机的“持续功率限度”由如下的最大速度决定，在该最大速度处，电机可连续操作同时仍然消散足够的废热以防止不可接受的温升。因为电阻(焦耳)损耗，所以持续功率限度也是电流的函数。除了在某些超高速电动机中之外，风阻损耗通常是可忽视的。在此的计算包括利用传统的教科书公式对总损耗作出的风阻校正。 

常常利用对被认为可允许连续运行的每单位有效表面积的热消散率的预选固定限制的约束进行电机设计。取决于排热的精确模式，适用不同的值。最低要求的电机设计包括敞开式框架，通常利用安装在装置的轴上的风扇通过该敞开式框架使环境空气循环，以实现对流热排除。其中只有外部装置表面可用来散发热的封闭式框架空气冷却设计一定呈现较低的散热。更苛求的应用、尤其对于高速电动机可依赖于改善排除率的更先进的技术，包括循环液、相变冷却、热管或其它类似装置。通过增加可允许的散热，可提高给定电机设计的表观功率和额定扭矩。 

在最优地可应用于本发明的实践中的高频率、高极数电气装置中，因为定子芯的非晶态的、纳米的和优化的Fe基的金属合金具有 比传统Si-Fe低的损耗，所以产生较少的废热。早先使用改善的软磁材料的努力在不改变基本的电机构造的情况下通常只包括直接替换，其中可能具有提高的运行频率。然而，已发现的是，设计者通过增加频率、速度和功率、然后进一步通过恰当地平衡和“交换”低铁损与欧姆损耗，可有益地开拓这些材料的低损耗特征。总之，对于与传统电机相同的功率，最优地可应用于本发明中的高频、高极数电气装置具有较低的损耗，并因此具有较高的扭矩和速度，从而可获得比传统电机高的连续速度极限。 

传统地，装置效率限定为有效功率输出除以功率输入。本电机的优选实现具有高的功率效率。它们超过400Hz的工业标准高频限度，在此以前如果有任何实际应用的话，也只有少数超过了该限度。 

本电机的某些优选实施例采用高的极数和沟槽数，并且以比传统使用的400Hz的最大值高的同步频率运行。这些高的频率通常预期将总的转子损耗增加到不可接受的值。令人惊讶和意外的是，本设计提供比传统电机中使用的薄得多的转子磁体。在不受任何理论束缚的情况下，要相信的是，可通过两个因素使磁体厚度减小。第一，低损耗定子材料的使用允许极数增加，从而减小各极磁体的横向尺寸。因此可减小各磁体的厚度，同时仍保持大致恒定的纵横比(即厚度与等同横向尺寸的比)。减小的厚度又导致较低的总磁体体积，从而减小磁体损耗和材料成本。第二，为了保持定子面的铜比接近常数，高沟槽数的电机设置有比低沟槽数的电机狭窄的沟槽。在转子运动期间，这些窄的沟槽比宽的沟槽给予转子更小的电路磁导的周期性变化。这两个因素有助于减小转子的通量微扰。较低的转子通量微扰又导致较低的转子涡流损耗。由于这些实施例所利用的薄磁体，所以所需的总磁体质量显著低于传统设计中所使用的质量。通常在每单位物质的基础上，永磁体是电机最昂贵的构件。有利的是，以高于传统使用的400Hz的最大值的同步频率运行的电机的高的极数和沟槽数的使用，明显减小电机的总体尺寸和成本；并且显著改善其效率。 

但是，可应用于本发明的优选高频、高极数的电气装置的性能和提高的效率不简单地是利用非晶态金属替代传统的Si-Fe的固有结果。已提出许多具有非晶态金属的设计，但都遭受性能失效(包括过热和较低的输出功率)。该失效的发生被认为大部分是由于仅仅应用新的材料(例如非晶态金属)和基于传统材料(按重量计算包含3.5％或以下的Si的Si-Fe)的特性设计的电机的生产方法。与将非晶态金属加工到电动机中的可察觉成本相结合的早期性能失效导致工业抛弃该研究工作。 

目前优选的电气装置通过旋转电机的设计克服了现有技术的性能失效，该旋转电机的设计合适地充分利用非晶态金属合金、纳米晶体金属合金或优化的Fe基金属合金的有益特性。在本发明的方面中还提出的是与各种改善材料的物理和机械特性相兼容的构造方法。本电机的优选实现具有的有利特性包括在大于400Hz的换向频率下的可操作性以及高极数、高效率和高功率密度。尽管其它传统方法能够提供只具有四种特性中至多两种特性的组合的电动机，但本发明提供同时具有所有四种特性的电动机。 

理想的方形扭矩速度曲线

在本发明的方面中，提供一种电气装置，其以比传统电机更方形的扭矩速度曲线进行操作。 

任何电机的速度与扭矩能力可图形地描绘成扭矩速度平面的容许区域中的区域。理想的电机可以以高达扭矩和速度的某些极限值的扭矩和速度的任何组合运行。具有这种能力的电机被说成具有矩形的扭矩速度曲线。换句话说，在可获得高达最高定额速度的全部额定扭矩的情况下，电机可以以高达扭矩和速度的容许极限的扭矩和速度的任何组合运行。由于在扭矩速度平面中限定装置运行范围的最大的扭矩和速度的线大致垂直地相交，所以矩形扭矩速度曲线有时被称为方形扭矩速度曲线。 

图5A示出理想的矩形扭矩速度曲线的近似。作为情形1，它包括根据本发明设计的电动机和传统电动机的扭矩速度曲线，其中速度绘制在水平轴线上，而扭矩绘制在垂直轴线上。选择用于两个电机的极数为8，但作为比较手段可选择任何极数。 

实际上，用于传统电机的矩形扭矩速度曲线明显受限制。超过某一较低的速度，由于受对总产热的电阻贡献的支配地位的限制，可用的扭矩(垂直轴线)迅速降低。此外，速度(水平轴线)由随着频率的增加而增加的定子芯所限制，如先前所讨论的。在图5A中示意性示出该特性。相反，尽管本发明的电动机提供相似的扭矩，但其速度范围因为其低得多的频率相关损耗而大大扩展。 

因此，传统电动机由于它们可为高速度范围提供低扭矩(低功率)、或者为低速度范围提供高扭矩而受限。本发明成功地提供一种可实现两者的电动机，即提供高扭矩和高速度能力。 

图5B示出情形2，其进一步描绘了重新设计成具有36极的本发明的优选电机的特性。铁损允许电机获得类似于传统电机的速度限制。但是，由于EMF产生的高频，所以对于给定扭矩的对应电阻损耗在本发明中比在传统电机中低得多，从而允许本发明在不超过热限制的情况下增加电动机扭矩。因此，由于开拓低损耗材料的特性，所以本电机的优选实现以令人惊讶和意外的方式优于传统的电动机，改善的性能和扩展的速度与扭矩范围的结合在没有新奇的磁性材料与相称设计的电机构造的结合的情况下、不可能利用现有装置的任何优化而实现。 

更具体地，与传统装置相比较，本发明的电气装置提供在曲线下方具有明显增加的面积量的扭矩速度曲线。在曲线下方增加的面积表示现在针对给定的设计可达到的宽得多的应用范围。已知功率随速度线性增加。通过本发明提供的增加的装置速度和恒定的扭矩，在不超过容许的热限制的情况下，装置具有较大的功率密度，即对于固定尺寸具有更高的功率。在以上提出的情形1和2中，本发明的电动机优于传统的电动机。 

现代技术中的许多应用、包括这种广泛不同的领域、诸如高速机床、压缩电动机、航空电动机和致动器、以及在计算机和其它微电子装置中用于数据存储的磁盘驱动器或光盘驱动器的主轴驱动电动机都需要电动机可以以常常超过15,000-20,000rpm、并且有时达到100,000rpm的高速运行。 

总谐波失真

本电机的优选实施例的另一优点是获得的干净的正弦反电势(EMF)曲线。这种曲线的特征在于低的总谐波失真(THD)的值。高的THD是不合需要的，其表现附加的且非生产的电流，这又产生附加热。优选的设计给予小于5％的THD值。更优选的是THD值小于大约1％。重要的是，某些管理机构将只证实具有低于所需阀值的THD值的装置。例如，必须满足确定的THD值以获得欧洲CE标志。 

0.5的SPP比趋向于产生更正弦的反电势，其输出可通过电子装置进一步改善。先进的低损耗材料的使用使得优选的SPP＝0.5的构造成为可能，由此容易地获得所期望的低的THD值。 

优选的设计方法

在图12中提出用于确定本发明的各种优选实施例的合适设计的方法。在此的设计方法如下识别，该识别基于通过关键设计方程的适当分析可将电机限定有较少的参数。通过为电机指定尽可能少的参数，可使某些变量最大化，并且可在给定的速度处优化电机。图12的方法允许在给定的速度处具有优化的扭矩，并且因此具有优化功率的轴向空隙式电机的设计。应认识到的是，可比较的设计方法适用于其它电机构造。 

为了设计这种电机，首先必须将电机简化为通过尽可能少的参数表示电机扭矩的单个方程。在本方法中，已经确定的是，轴向空隙式电机的扭矩可根据以下方程表示： 

$\mathrm{\τ}=\frac{1}{24}\·j\·2^{\frac{1}{2}}\·(-\mathrm{\λ}\·D\·\mathrm{\π}+h\·t+x\·t)\·L\·\mathrm{pf}\·D\·(-D\·\mathrm{\π}-D\·\mathrm{\π}\·{\mathrm{\λ}}^2+2\·\mathrm{\λ}\·D\·\mathrm{\π}-2\·h\·t+2\·h\·t\·\mathrm{\λ})\·B$

其中， 

τ＝电机的输出扭矩(N·M)； 

j＝电流密度(A/mm²)； 

D＝定子的外径(mm)； 

h＝在内径处的核心点齿宽(mm)； 

t＝每定子的总沟槽； 

x＝定子中从绝缘开始的总废槽宽(mm)； 

pf＝作为沟槽填充的百分数的填充系数； 

L＝线圈的轴向长度(mm)； 

B＝峰值磁通量密度(T)； 

λ＝内定子直径/外定子直径比。 

在图13中还以图形形式参考以上变量中的若干变量。 

如从以上方程观察到的，存在至少9个重要的设计参数。然而，当处理设计的任何情形时，至少通过实际考虑稍微约束这些变量中的许多变量。例如，在以上方程中，假定基于设计的电机的种类，则j、x、pf、L和B确实不会变化。这使仅仅λ、D、h和t为自由参数。如以下讨论的，然后取决于设计灵活性，设计者选择D和t值。这剩下用于扭矩τ的只取决于h和λ的方程。这种方程的图形将产生诸如图14所示的表面图。通过针对λ对扭矩方程进行微分并设定得到的方程等于零，设计者可求出为所有给定输入提供最优扭矩的λ的值。当然，该解答只有在满足0＜λ＜1的内在几何约束时有效。 

以上设计方法通过图12所示的流程图总结。电机的设计者假定具有由先进的低损耗材料构成的定子的轴向空隙式电机，然后选择高端速度。接下来，选择电机的期望的同步频率、诸如在大约800-1200的范围内的频率、例如1000Hz频率，根据方程f＝N·P/2计算极数，其中N是期望的高端速度，而P是极数。然后，利用计算出的极数并假定SPP＝0.5，如在上文中讨论为优选的，可计算出定子槽的数量。 取决于期望的应用和限制，选择电机的外径。这只剩下根据以上提供的扭矩方程确定h和λ。然后针对λ对扭矩方程进行微分，并且将得到的方程设定为等于零。然后针对λ求解该方程。产生在0与1之间的λ的解答将为所有给定输入提供最优扭矩。如果需要，可反复应用前述过程。 

如上所述，以上设计方法利用先进的低损耗材料提供高效和高功率的高速电气装置的优选实施例。当然，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，设想优选实施例之外的其它实施例和设计。 

功率和扭矩密度

在优选实施例中，本发明提供一种电机，其具有基于体积或质量基础测量的高的功率和扭矩密度。也就是说，电机具有高的可用扭矩和可用功率的值以及低的每单位有效质量和有效体积的废热的值。 

为了比较，旋转电机的术语“有效材料”在此理解为包括为了产生扭矩而承载电流或磁通量的所有材料，例如在转子和定子中使用的软磁材料和硬磁性材料以及包括其绝缘的导线(通常为铜或铝)。术语“有效质量”理解为电机中的有效材料的总质量。旋转电机的术语“有效体积”和“有效面积”分别理解为表示直圆柱体的体积和外表面积，该直圆柱体具有由电机中有效材料的最外面的直径范围和长度范围限定的直径和长度。因此，有效体积和有效面积不包括电机的外壳和诸如散热片的结构。现有电机常常结合这种结构以使传热最大，尤其在排热特别成问题的封闭式框架中。在实际的电机设计中与这些部分相关的面积和体积的量改变很大。将它们排除在外是允许不被明显但虚假的优点所歪曲的公平比较，该优点不反映由本电机提供的效率的基本改善。 

如上所提出的，电机的设计需要选择大量的尺寸参数和运行参数以及合适的磁性材料。因此，通过参考基于正规化基础、例如每单位质量、体积或表面积的重要定量参数、诸如可用功率和可用扭矩以及 废热输出，便于不同设计之间的性能比较。这种比较帮助避免把设计看作具有明显但虚假的优点，所述明显但虚假的优点不是由于实际改善而产生，而是由于不适当的比较而产生。例如，保守设计的尺寸过大的单元的效率可能显得大于较小参考设计的效率。另外，额外的尺寸总是增加成本，尤其因为磁性材料常常是电机最昂贵的构成。有根据的是，比较还必须包括用于相同工作循环的电机。众所周知的是，在相同的条件下，给定的电机对于短的持续时间或在间歇工作方式中比对于延长的或连续的运行产生高得多的输出。使只设计用于短工作循环的电机在负载下运行延长周期几乎肯定缩短其有效寿命，并且很可能使其过热或立即烧掉。 

如在电机领域中通常的，可通过使电机作为发电机运行、尤其是通过使电机轴连接到产生扭矩的原动机和使各相绕组连接到纯电阻性电力负载来确定永磁电机的损耗。损耗通过从机械功率输入(2πτN/60，其中以rpm为单位测量N)减去由发电机产生的有效功率(电阻性负载中的总的i²R消散)确定。该特性允许与电动模式中电机的测试和运行所需的特定的功率电子装置的性能分开地研究电机本身的性能。 

必须排出热量以防止过热的电力装备和电子装备的设计常常以每单位表面积的可行排热率的假定值为前提。通常，必须消散足够的热以防止电机中过度的内部温升。必须限制温升以防止电绝缘的击穿、不可逆转的转子磁化损耗和其它严重后果。例如，经验表明各种电力构件和电子构件的表面在静止的室内空气中在温度上升高不超过100℃的情况下可连续地消散大约0.2W/cm²。构件利用流动空气或液体的强制冷却允许较高的限度，正如更多的先进装置，诸如热管。在电机的设计中，0.4W/cm²的连续消散常常被认为需要例如利用具有吹风机的敞开式框架设计的强制空气冷却，而0.6W/cm²可能需要液体冷却。 

在各种实现中，本装置提供高的功率密度和扭矩密度，同时保持 高的效率和允许在连续运行期间排出废热的足够低的损耗。尤其地，在适于敞开式和封闭式框架的空气冷却装置、以及提供较高的传热的装置的不同实施例中，例如可通过液体冷却、热管、相变介质等排出废热。 

例如，一种实现提供一种电机，其具有至少大约2.5N·m/kg的扭矩密度和至多大约0.2W/cm²的损耗密度，在作为连接到电阻性负载并且处于以至少大约500Hz的频率提供电力输出的旋转速度的发电机的电机的连续运行期间，测量所述值。在另一实现中，电机在连续750Hz的运行期间提供至少大约3.4N·m/kg的扭矩密度和至多大约0.4W/cm²的损耗密度。又一电机在连续1000Hz的运行期间提供至少大约3.8N·m/kg的扭矩密度和至多大约0.6W/cm²的损耗密度。更优选地，电机在连续750Hz的运行期间提供至少大约6.0N·m/kg的扭矩密度和至多大约0.4W/cm²的损耗密度。最优选地，电机在连续1000Hz的运行期间提供至少大约8.0N·m/kg的扭矩密度和至多大约0.6W/cm²的损耗密度。 

提出以下实例，以提供本发明更完整的理解。用于说明本发明的原理和实践的具体技术、条件、材料、比例和报告数据是示意性地，并且不应解释成限制本发明的范围。 

实例

比较实例1-2和实例1-3

电机的构造和特性 

以下的表II提出现有技术的某些电机和根据本发明的电机的特性。比较实例1-2分别是如由IEEE IAS(2002年7月2日)的Gieras等公布的10kW、750rpm无铁芯盘式永磁无刷电机和具有传统的定子芯和转子芯的10kW、750rpm等同物。实例1-3是本发明的电动机的实施例。 

表II 

设计参数和性能的比较 

参数	单位	比较实例1  具有芯的圆柱  形电机1	比较实例2  无铁芯的盘  式电机2	实例1	实例2	实例3
							功率	kW	10	10	10	12.4	10
速度	rpm	750	750	750	750	750
							扭矩	N·m	133	131	131	158	128
效率	％	91.4％	92.5％	92.3％	92.1％	93.5％
							电流密度	A/mm2(r  ms)	4.2	4.2	9	10	6.3
永磁材料	kg	1.57	12.4	2	1.9	1.8
							总有效材  料3	kg	35.3	17.0	23	13.8	17.5
有效材料  成本4	$	121	859	527	244	266
							功率密度	W/kg	283	588	435	899	571
扭矩密度	N·m/kg	3.8	7.7	5.7	11.4	7.3
							频率	Hz	100	100	225	400	488
绕组OD	Mm	360	360	300	360	360
							每单位有  效面积的   散热		自然冷却	自然冷却	1W/in2＝  0.16W/c  m2	1W/in2＝  0.16W/c  m2	1.3W/in2＝  0.20  W/cm2

¹传统的铁芯电动机(由Gieras等提供的数据) 

²Gieras等的无铁芯的盘式设计 

³来自Gieras等的被校正以排除轴质量的有效材料质量数据 

⁴基于分别对于由Gieras等提供的FeNdB永磁体、铜绕组和传统软磁材料的每公斤$65、5.50和1.25的成本、以及在实例1-3中使用的先进软磁材料的每公斤$5.50的成本的有效材料成本 

如表II所示，根据在此公开的原理设计的实例1-3在电动模式中 提供相等或较大的功率、相同的速度、相等或较大的扭矩、大致相同的效率、和较大的电流密度(由于较低的铁损)。令人惊讶的是，本发明的电动机也使用总体上比Gieras等的电动机或传统电动机少的永磁材料和实际上少的有效材料。表II还示出在利用合适的功率电子装置的电动模式中，本发明提供一种电机，其在相似的热额定的情况下与Gieras等的电机相比具有相等或较好的每公斤有效材料的扭矩，并且不太昂贵和以高得多的频率(乘以2或以上的因数)运行。这通过开拓用于这些实施例的非晶态金属的有利特性而实现。 

比较实例3-6和实例4-5

电机的构造和特性 

表III提供本发明的电动机(实例4-5)的设计参数和性能与比较实例3-6的设计参数和性能的比较，所述比较实例分别为由IEEEIAS(2002年7月2日)，Qu等公布的双转子径向通量环形缠绕的永磁电机(RFTPM)、商业感应电机(IM)、内置式永磁电机(IPM)和轴向通量环形缠绕的永磁电机(AFTPM)。实例4和5以510Hz的频率运行。表III示出本发明的电动机对于给定的速度提供较大的扭矩以及对于利用合适的功率电子装置的电动模式的运行提供较高的效率。 

表III 

设计参数和性能的比较 

		比较实  例3  IMa	比较实例  4IPMc  (NdFeB)	比较实例  5AFTPMd  (铁素体)	比较实例6  RTFTPMe  (铁素体)	实例4	实例5
								功率	hp	3	4.96	1.18	2.98
功率	kW	2.2	3.7	0.9	2.2	2.6	2.6
								扭矩	N·m	12.18	20.2	3	11.78	14	14
速度	rpm	1755	1750	2800	1800	1800	1800
								体积	cm3	8092b	10391	1272	2730	1484	1903

重量	kg	35.4	48	5.5	11.76	5.5	7.8
								扭矩密度	N·m/kg	0.34	0.42	0.55	1.00	2.55	1.79
扭矩密度	N·m/cm3	0.0015	0.0019	0.0024	0.0043	0.0094	0.0074
								效率	％	82.5％	88.0％	83.0％	87.1％	86.6％	90.4％
损耗	W	475	505	180	329	402	276
								有效表面	cm2	2442	2884	712	1184	789	931
损耗密度	W/cm2	0.19	0.17	0.25	0.28	0.51	0.30

^aGE Model #5K 182BC218A电动机，由Qu等提供数据 

^b排除用于风扇和散热器的空间 

^cYasakawa Electric公司的电动机，由Qu等提供数据 

^d由Federico Caricchi设计，由Qu等提供数据 

^e由Qu等设计的径向通量环形缠绕的永磁电机 

实例6

本发明的电机的构造和特性 

根据上述概念设计三相轴向空隙式电动机(实例6)。电动机的磁性定子芯由Metglas 

合金2605SA1形成，并开槽有54个等距分开的齿。定子绕组是单层在室温下具有大约0.011Ω电阻的线圈的26±1圈。转子组件利用36个转子磁体构造，所述转子磁体由具有大于36MGOe的最大能积和大于21kOe的固有矫顽磁场的稀土硼铁磁体合金构成。磁体在尺寸上为大约65×14×8mm，并且沿8mm的尺寸磁化。它们在转子板中布置有交变极性。在以下的表IV中提出在利用合适的功率电子装置的电动模式中运行的该电动机的代表性特性。 

表IV

本发明的电机的示意性性能 

特性	单位
			逆变器	Vrms线	320
实际输出功率	kW	80.9
			轴扭矩	N·m	214

速度	rpm	3600
			效率		94％
电机冷却		液体
极对		18
			每定子的沟槽数		54
SPP		0.5
有效电机尺寸
			外径	mm	290
长度	mm	72
电气特性
			Ke	Vrms/krpm线	66
Ke的THD		2.9％
			每相的电阻	mΩ	11.8
每相的电感	μH	85.8
有效材料质量
			NdFeB磁体	kg	2.0
铜	kg	3.7
			非晶态金属	kg	19.1
			扭矩密度
每单位有效质量	N.m/kg	8.0
			每单位有效体积	N.m/cm3	0.045

实例6的电机如果在电动模式中运行，则具有例如高的输出扭矩密度、高的电效率和磁性材料的有效使用的特征的有利组合。 

比较实例7

传统电机的构造和特性 

根据传统经验设计代表性的电机(比较实例7)。电机具有轴向空 隙、具有12极和18沟槽的3相构造、对于360Hz激励产生3600rpm的旋转速度。电机的有效体积由定子的290mm外径和150mm轴向长度限定。使用的磁性材料是传统的26规格M19SiFe、无晶粒取向的软磁性电工钢和标称39MGOe FeNdB永磁体。 

在发电模式中比较实例7的电机的损耗通过如下方式确定：将各相绕组连接到纯电阻性负载，并且通过将从外部原动机施加的扭矩以必要的旋转速度转动电机轴。在此自旋损耗(spinning loss)通过在电气负载分离的情况下测量使轴以期望的速度旋转所需的扭矩而确定。以下的表V提出对于以5000、7500、和10,000rpm的速度旋转的比较实例7的电机以每单位有效面积的瓦特(W/cm²)为单位表示的自旋损耗密度，该速度对应于各相中以500Hz、750Hz、和1000Hz的相输出。 

表V 

比较实例7的自旋损耗密度 

旋转速度(rpm)	电频率(Hz)	自旋损耗密度  (W/cm2)	取整的自旋损耗密  度(W/cm2)
				5000	500	0.28	0.2
7500	750	0.51	0.4
				10000	1000	0.77	0.6

为了提供用于比较的基础，将自旋损耗密度取整到表V最后一列所示的稍低的值，以考虑对用于电机构造的优化的任何可能。取整的值表示什么将在采用本领域中传统的标准磁性材料和构造的电机设计中可合理地实现。例如，定子中利用Litz电线替换传统的传导性电线绕组可基本消除AC电阻损耗，并且可通过分段使转子损耗最小。两个假设表示理想的电机性能，因此已知如此应用它们以理解任何实际运行电机的实际损耗。因此，与取整损耗一起作出的比较呈现诸如比较实例7电机的电机特性，其甚至好于实际的实现。 

得到的0.2、0.4和0.6W/cm²的值还应根据各种冷却法普遍接受的 限度进行观察。尤其地，无外部强制空气循环的封闭式框架电机通常可预期通过对流向周围空气连续散热大约0.2W/cm²。在敞开式框架的电机中采用吹风机强制通风或使冷却液体循环的主动冷却技术通常被认为能够分别维持大约0.5和0.8W/cm²的散热。 

实例7-13

本发明的电机的设计和特征 

与比较实例7的电机一起，在以下的表VI中提出了根据本发明设计的若干示意性电机。这些电机中的每个电机具有轴向空隙、具有在列5中示出的沟槽数和为0.5的SPP的3相构造。同步频率比在列2中列出。在列3和4中示出总有效材料半径和轴向长度。在各电机中使用的FeNdB磁性材料具有标称的39MGOe的能积。比较实例7电机使用传统的M19SiFe电动机叠层结构，然而实例7至13使用如在此说明的先进软磁材料。 

表VI 

电机构造 

实例	Kf(每  1000rp  m的Hz)	有效  半径  (mm)	有效  长度  (mm)	每定  子沟  槽数	有效材  料质量  (kg)	有效表  面积  (cm2)	λ(IR/  OR)
								比较实  例7	100	144.2	149.2	18	34	2659	0.60
7	300	97.8	80.2	54	8	1094	0.64
								8	267	105.8	71.2	48	9	1176	0.60
9	300	144.8	77.2	54	21	2020	0.53
								10	167	186.7	119.0	30	59	3586	0.51
11	500	215.7	94.4	90	47	4203	0.61
								12	400	217.2	74.0	72	37	3974	0.65
13	400	286.7	97.0	72	100	6912	0.55

在无负载作用下如上所述地对本发明的电机的实例7-13测试自旋损耗密度(每单位有效材料面积的自旋损耗)。还示出用于与表V重复的比较实例7电机的比较值。当这些电机中的任何电机作为电动机运行时，超出克服自旋损耗所需的电流产生可用的扭矩输出。但是，该电流在定子绕组中产生附加的电阻损耗，产生必须排出的附加的热。表VII还提出在这些电机的每个电机中可得到的扭矩密度的量的计算(每单位有效材料质量的可用扭矩)，其针对与在500、750和1000Hz处的相位激励相对应的旋转速度，并且在三个相应的频率处不超过0.2、0.4和0.6W/cm²的阈值总损耗密度。这种总损耗密度包括在零输出扭矩处的自旋损耗和来自提供该可用扭矩所需的额外电流的额外电阻损耗。对于比较实例7，在500、750和1000Hz的任何激励处不可得到可感知的扭矩，因为自旋损耗仅达到所选择的阀值损耗密度。作为对比，本发明的实例7-13的电机在不超过指定损耗密度的情况下都提供一些可用的扭矩量。 

表VII 

自旋损耗和可用的扭矩密度 

^*无可用扭矩 

前述实例证实在实现本发明的优选电机中的改善的损耗效率和 在高速处的可感知的扭矩的可用性。另一方面，传统设计和构造的电机、即使通过可预知的优化也不能以描绘成提供有效扭矩的高速方式运行。也就是说，传统电机在不过热到持续运行不可能的程度的情况下不能提供前述的有益特性的组合。因此，通过根据在此描绘的方法设计的电机可满足机电必要条件，该电机比在此以前可能的电机小、在功率消耗上高效、并且更加可靠。 

表VIII 

对于500Hz激励的自旋损耗和可用的扭矩密度 

^*无可用扭矩 

表VIII还描绘了比较实例7和实例7-13的电机的扭矩能力。在500Hz处各电机的自旋损耗密度与表VII重复。还提出对三种不同的容许散热、即用于表VII的500Hz数据的0.2W/cm²、以及0.4和0.6W/cm²的增加值的可用的扭矩密度。表VIII的所有数据用于以与500Hz的同步电频率对应的转速运行。通过允许较高的散热，在各种情形下更大的电流可通过相绕组，从而增加可用扭矩。如上所述，比较实例7的电机只在500Hz处在自旋损耗密度中消散0.28W/cm²，因此在该消散水平不能提供有效扭矩。将限度放松到0.4或0.6W/cm²允许比较实例7装置产生一些有效扭矩，但是基于每质量比较基础，可 用量仍远低于通过实例7-13中任一实例可得到的量。 

这样已在相当详细地说明了本发明，但要理解的是，在此表示为目前优选实施例进行说明的电气装置是示意性的并且不意图限制本发明的范围。本领域的技术人员将想到其中的变化和其它使用，这些都包括由权利要求的范围所限定的本发明的精神内。 

对于本领域的技术人员容易显而易见的是，在不偏离本发明的范围和精神的情况下，可对在此公开的本发明作出各种替换和变型。例如，尽管在此大体上说明了轴向空隙式电机，但是根据在此公开的原理可设计其它类型的电机，诸如：(i)径向空隙式电机；(ii)径向气隙的横向通量电机；和(iii)线性电机。此外，电机可包括除永磁电机以外的许多电机，诸如感应电机、同步电机、同步磁阻电机、开关磁阻电机和DC电磁电机。另外，其它类型的转子和/或定子绕组方案都在本发明的范围内。因此，这种附加实施例在本发明以及的权利要求的范围内。 

虽然针对与构件或限制相关的各种不同的可能数字或尺寸说明了构件和限制，但是在附加的实施例中，构件或限制处于通过取得设置为范围端点的特殊值中的任何两个而指定的范围中。除非另有相反地清楚指示，否则这种范围包括端点。 

Claims (43)

1.一种高效、高功率密度的永磁式电磁装置，其包括：

(a)至少一个定子组件，其包括由低损耗软磁材料形成并具有多个沟槽的磁芯，所述多个沟槽缠绕有适于连接到至少一个电气相的定子绕组；和

(b)至少一个磁场组件，其包括多个转子极，所述磁场组件包括多个永磁体并且布置和设置成用于与所述至少一个定子组件发生磁相互作用；

其中，所述装置的扭矩密度至少为大约2.5N·m/kg，并且所述装置的损耗密度至多为大约0.2W/cm²，通过选择出根据公式f＝N·P/2的极数和旋转速度，在所述装置作为连接到电阻性负载并处于以至少大约500Hz的频率提供电力输出的旋转速度的发电机的连续运行期间，测量所述扭矩密度和所述损耗密度的值，其中f是以Hz为单位的电机的频率，N是以转每秒为单位的速度，P是电机的极数。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扭矩密度至少为大约3.4N·m/kg，并且所述损耗密度至多为大约0.4W/cm²，在所述装置作为连接到电阻性负载并处于以至少大约750Hz的频率提供电力输出的旋转速度的发电机的连续运行期间，测量所述扭矩密度和所述损耗密度的值。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扭矩密度至少为大约3.8N·m/kg，并且所述损耗密度至多为大约0.6W/cm²，在所述装置作为连接到电阻性负载并处于以至少大约1000Hz的频率提供电力输出的旋转速度的发电机的连续运行期间，测量所述扭矩密度和所述损耗密度的值。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扭矩密度至少为大约6.0N·m/kg，并且所述损耗密度至多为大约0.4W/cm²，在所述装置作为连接到电阻性负载并处于以至少大约750Hz的频率提供电力输出的旋转速度的发电机的连续运行期间，测量所述扭矩密度和所述损耗密度的值。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扭矩密度至少为大约8.0N·m/kg，并且所述损耗密度至多为大约0.6W/cm²，在所述装置作为连接到电阻性负载并处于以至少大约1000Hz的频率提供电力输出的旋转速度的发电机的连续运行期间，测量所述扭矩密度和所述损耗密度的值。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述低损耗软磁材料是先进的低损耗材料，该先进的低损耗材料的特征包括小于“L”的铁损，其中“L”由公式L＝12·f·B^1.5+30·f^2.3·B^2.3给出，其中

L是以W/kg为单位的损耗，

f是以kHz为单位的频率，和

B是以特斯拉为单位的峰值磁通量密度。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述先进的低损耗材料是选自非晶态金属、纳米晶体金属和优化的Fe基合金的至少一种材料。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述低损耗软磁材料是非晶态金属。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述低损耗软磁材料是纳米晶体金属。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述低损耗软磁材料是优化的Fe基合金。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置是轴向空隙式装置。

12.根据权利要求11所述的装置，特征在于，所述装置具有两个定子组件和所述两个定子组件之间的一个磁场组件。

13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁芯是整体磁芯。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述整体磁芯还是单体式磁芯。

15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置是径向空隙式装置。

16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置适于以高于大约500Hz的频率连续运行。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述装置适于以从大约500Hz到大约3kHz的频率连续运行。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述装置适于以从大约600Hz到大约1200Hz的频率连续运行。

19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述装置适于以大约1000Hz的频率连续运行。

20.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置为环境空气冷却的封闭框架式设计，并且适于在高于环境至多100℃的温升的情况下以与至少大约500Hz的频率相对应的旋转速度连续运行。

21.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置为强迫空气冷却式设计，并且适于在高于环境至多100℃的温升的情况下以与至少大约750Hz的频率相对应的旋转速度连续运行。

22.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置为液体冷却式设计，并且适于在高于环境至多100℃的温升的情况下以与至少大约1000Hz的频率相对应的旋转速度连续运行。

23.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置的每极每相的沟槽比为0.25到4.0。

24.根据权利要求23所述的装置，其特征在于，所述装置的每极每相的沟槽比为0.25到1.0。

25.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述装置的每极每相的沟槽比为大约0.5。

26.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，以大于500Hz的频率操作，所述多个转子极在大于大约12,000转每分钟的速度时大于4个。

27.根据权利要求26所述的装置，其特征在于，所述多个转子极至少为16极，以及频率取决于根据公式f＝N·P/2当P等于16时的速度。

28.根据权利要求26所述的装置，其特征在于，所述多个转子极至少为32极，以及频率取决于根据公式f＝N·P/2当P等于32时的速度。

29.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述定子绕组适于连接到三个电气相。

30.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁场组件是转子。

31.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，所述装置为无刷永磁式DC电机。

32.一种制造高效、高功率密度的永磁式电磁装置的方法，其包括：

(a)选择先进的低损耗软磁材料，其特征包括小于“L”的铁损，其中“L”由公式L＝12·f·B^1.5+30·f^2.3·B^2.3给出，其中

L是以W/kg为单位的损耗，

f是以kHz为单位的频率，和

B是以特斯拉为单位的峰值磁通量密度；

(b)设置至少一个定子组件，其包括由低损耗软磁材料形成并具有多个沟槽的磁芯；

(c)在所述沟槽中设置定子绕组，所述绕组适于连接到至少一个电气相；并且

(d)设置至少一个磁场组件，所述至少一个磁场组件包括多个转子极和多个永磁体，所述磁场组件布置和设置成用于与所述至少一个定子组件发生磁相互作用，

所述装置提供至少大约2.5N·m/kg的扭矩密度和至多大约0.2W/cm²的损耗密度，通过选择出根据公式f＝N·P/2的极数和旋转速度，在所述装置作为连接到电阻性负载并处于以至少大约500Hz的频率提供电力输出的旋转速度的发电机的连续运行期间，测量所述扭矩密度和所述损耗密度的值，其中f是以Hz为单位的电机的频率，N是以转每秒为单位的速度，P是电机的极数。

33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述电磁装置是轴向空隙式装置。

34.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，在大于大约12,000转每分钟的速度以大于500Hz的频率操作时，所述多个转子极为大于4个。

35.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述多个转子极至少为16极，以及频率取决于根据公式f＝N·P/2的速度。

36.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述多个转子极至少为32极，以及频率取决于根据公式f＝N·P/2的速度。

37.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述装置的每极每相的沟槽比为0.25到4.0。

38.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述低损耗软磁材料是非晶态金属。

39.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述低损耗软磁材料是纳米晶体金属。

40.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述低损耗软磁材料是优化的Fe基合金。

41.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述磁芯是整体磁芯。

42.根据权利要求41所述的方法，其特征在于，所述磁芯还是单体式磁芯。

43.一种高效、高功率密度的永磁式电磁装置系统，其包括高效、高功率密度的电磁装置和用于连接并控制所述电磁装置以及可操作地连接至所述电磁装置的电力电子装置，所述电磁装置包括：

(a)至少一个定子组件，其包括由低损耗软磁材料形成并具有多个沟槽的磁芯，所述多个沟槽缠绕有适于连接到至少一个电气相的定子绕组；和

(b)至少一个磁场组件，其包括多个转子极，所述磁场组件包括多个永磁体并且布置和设置成用于与所述至少一个定子组件发生磁相互作用，

其中，所述电磁装置的扭矩密度至少为大约2.5N·m/kg，并且所述电磁装置的损耗密度至多为大约0.2W/cm²，在所述电磁装置作为连接到电阻性负载并处于以至少大约500Hz的频率提供电力输出的旋转速度的发电机的连续运行期间，测量所述扭矩密度和所述损耗密度的值。

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