电机制造技术

一种电机，具有：定子，所述定子限定具有相关联的电绕组的多个定子磁极；以及转子，所述转子具有多个转子磁极。转子在相邻的转子磁极之间具有磁通屏障，所述磁通屏障各自具有导电率高于转子磁极材料的材料。磁通屏障在铁磁材料外部彼此电隔离。在磁通屏障中感应出涡流以导致对即将来临的磁场产生破坏性干扰，使得磁通屏障在电机运行期间有效地用于抑制磁通量，这在一些情况下将产生排斥力，所述排斥力将用于增加转子磁极上的感应动力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电机相关申请的交叉引用本申请要求于2018年8月7日提交的申请号62/715,386的美国临时专利的优先权，所述申请的全部公开内容通过引用方式并入本文中。
本专利技术涉及电机以及这种电机的运行。
技术介绍
可以表征电机的性能的两种方式是其转矩/力和其输出功率。旋转电机的输出功率是电机产生的转矩与其输出轴的角速度的乘积。对于直线电机，输出功率是直线力与速度的乘积。常规上，主要有两种手段能够直接提高电机性能：(1)通过增加电机的大小和(2)通过在电机本身内部形成更强的磁场。尽管电机的最终大小限制其特定的有用应用，但是增加磁场由此增加电磁力可以被认为是实现更高电机性能和电机技术的更广泛应用的关键。需要新的电机设计，其提供可接受的高性能以实现紧凑封装中的直接驱动应用，例如高转矩/力和功率密度。
技术实现思路
本专利技术的各个方面的特征在于一种电机，所述电机具有被设置在无源磁极之间的磁通屏障(fluxbarrier)以改变磁通量的路径来提供与移动方向对准的磁感应动力的更大分量(以提供有用的转矩和/或直线力)。根据本专利技术的一个方面，一种电机具有：定子，所述定子限定具有相关联的电绕组的多个定子磁极；以及转子，所述转子具有多个转子磁极。转子相对于定子是可移动的，并且与定子一起在定子磁极与转子磁极之间限定标称间隙。转子磁极是至少在转子的表面处通过导电性低于铁磁材料的界面彼此分开的铁磁材料层的堆叠。转子在相邻的转子磁极之间具有磁通屏障，所述磁通屏障各自具有导电率高于铁磁材料的材料。磁通屏障在铁磁材料外部彼此电隔离。如本文所使用的，术语“电机”还包括从机械功率产生电功率的发电机。‘标称间隙’是指定子(或有源磁性组件)磁极与转子(或无源磁性组件)磁极的相对移动表面之间的间隙，在电机运行期间，磁通量跨所述间隙延伸以在转子(或无源磁性组件)上感应力。我们使用术语‘有源磁性组件’来指代电机的一部分，所述部分包括与相应的导磁结构相关联的电绕组，在所述导磁结构中，在绕组中的流动的电流会产生磁通量。‘有源磁性组件’的磁极被称为‘有源磁极’。电绕组通常相对于对应的有源磁极保持固定的关系。绕线定子是有源磁性组件的示例。我们使用术语‘无源磁性组件’来指代电机的由有源磁性组件产生的磁通量在其上感应动力的部分，磁通量跨标称间隙延伸到无源磁性组件中。‘无源磁性组件’的磁极被称为‘无源磁极’。非绕线转子是无源磁性组件的示例。标称间隙可以例如在径向间隙电机中是径向的或者在轴向间隙电机中是轴向的，并且可以被填充空气或其它气体，或者甚至液体，诸如冷却剂。‘磁通屏障’是指限定其中通过变化的磁场感应出电流流动的至少一个导电路径的结构。通常，将在磁通屏障中感应出涡流，所述涡流导致对即将来临的磁场产生破坏性干扰，使得磁通屏障在电机运行期间有效地用于抑制磁通量的变化，这在一些情况下将产生排斥力，所述排斥力将用于增加无源磁极上的感应动力。‘导电率’是指材料导电的倾向。关于其中电流被约束在主方向上流动的结构，诸如导线，是指在该主方向上的导电率。‘彼此电隔离’是指磁通屏障内对电位的欧姆电阻比磁通屏障之间的欧姆电阻小至少10倍。即，它们在铁磁材料外部彼此隔离并不排除它们通过层的铁磁材料进行电传输。实际上，在许多情况下，磁通屏障通过铁磁材料电连接。在一些实施例中，至少一些磁通屏障各自包括穿过堆叠的多个界面的导电棒。‘导电’是指一种材料或结构在典型的电机工作电压下至少具有与无定形碳相同的导电性，或者具有大于1000西门子/米的导电率。导电材料的示例包括银、铜、铝、镍、铁和电工钢(晶粒取向或其它取向)。非导电材料的示例包括非填充树脂、空气、木材和棉。我们使用术语‘绝缘体材料’来指代非导电或不导电的材料。在一些示例中，导电棒包含选自由铁、镍和钴组成的组的按质量分数计至少20％、在一些情况下40％或在一些情况下60％的元素或元素组合。在一些情况下，具有导电棒的磁通屏障中的每一者还具有与导电棒不同的材料的导电层，并且至少部分地形成转子的外表面。在一些配置中，棒包含选自由铜、铝、黄铜、银、锌、金、热解石墨、铋、石墨烯和碳纳米管组成的组的按质量分数计至少百分之一、在一些情况下百分之五或在一些情况下15％的元素。棒可以具有平行于标称间隙延伸并形成不同材料的层间界面的离散层或由其组成。在一些情况下，不同材料中的之一包括铜或基本上由铜组成，而不同材料中的另一个包括镍或基本上由镍组成。在许多实例中，棒具有面向标称间隙的暴露表面。在一些电机中，具有导电棒的磁通屏障中的每一者包括至少两个导电棒，所述至少两个导电棒在堆叠的相对端处彼此电连接以形成导电环。在一些实施例中，至少一些磁通屏障各自在平行于堆叠的铁磁材料层截取的横截面中具有包括远离标称间隙延伸的两个间隔开的突起和连接这两个突起的表面层的形状。这两个突起可以例如被设置在铁磁材料层的堆叠的一部分的相对侧上。在一些实施例中，至少一些磁通屏障各自具有宽度有限(在转子与定子之间的相对运动的方向上)且厚度有限(垂直于标称间隙)的导电层，所述导电层穿过堆叠的多个界面并且具有在间隙处形成转子的表面的暴露表面。‘有限宽度’是指层具有相对边缘并且例如不围绕转子的整个圆周(或沿着直线无源磁性组件的整个长度)延伸。类似地，‘有限厚度’是指层延伸到有限深度并且例如不完全延伸穿过转子。在一些情况下，层的宽度是层的厚度不止两倍，在一些情况下不止五倍，并且在一些情况下不止10倍。在一些电机中，层由在电机工作条件下电流趋肤深度大于层厚度的材料形成。‘电流趋肤深度’是指距电流具体是以给定频率变化的磁场感应出的涡流主要流过其中的导体的表面的深度。对于给定的材料，趋肤深度可以被计算为：其中‘f’是磁性开关频率，μ是材料的导磁率(单位为H/mm)，并且σ是材料的导电率(单位为％AICS)。‘导磁率’通常是指材料支持磁场形成的能力。材料的导磁率可以根据ASTMA772来确定。当我们说材料是‘导磁的’时，我们是指它的导磁率至少为1.3x10-6亨利/米。在一些示例中，层被设置在由铁磁材料限定的通道内，并且可以与铁磁材料的多个或所有片进行电接触。在一些情况下，标称间隙在所述层处比在所述层附近更薄。在一些实施例中，每个磁通屏障包括形成围绕芯材料的芯的环的导电材料，所述芯材料比导电材料更具导磁性(即，具有更大的导磁率)。在一些情况下，芯材料也是铁磁性的。例如，转子磁极的芯材料和铁磁材料都可以形成片的叠层堆叠的连续部分。在一些布置中，所述环形成界定标称间隙的转子的外表面的一部分。芯可以形成转子的外表面的被环围绕的一部分。在一些情况下，所述环被设置在界定标称间隙并包括铁磁材料层的边缘的转子的表面之下。在一些电机中，所述环限定电容，所述电容可以诸如通过环中的非导电性中断而被形成在沿着环的离散位置处。所述环优选地具有在铁磁材料的可透射范围内的谐振频率。‘可透射范围’是指在静态频率条本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电机，其包括：/n定子(410、420、1010、1120、1900)，所述定子限定具有相关联的电绕组(416、1904、2814、3314、3514)的多个定子磁极(412、802、902、1012、1122)，其中，所述定子包括具有与所述电绕组相关联的多个有源磁极(412、802、902、1012、1122)的有源磁性组件(106)；以及/n转子(420、600、700、1020、1100)，所述转子包括多个转子磁极(422、602、804、904、1022)，所述转子相对于所述定子可移动并且与所述定子一起限定所述定子磁极与所述转子磁极之间的标称间隙(805、905、1015、1130、1910)，所述转子磁极包括导磁磁极材料；/n其中，所述转子包括相邻的转子磁极之间的磁通屏障(704、906、1104、1304、1404)，所述磁通屏障各自包括第二材料，所述第二材料与所述导磁磁极材料的导电率不同，具体地，其中，所述磁通屏障的导电率大于所述导磁磁极材料的导电率；并且/n其中，所述磁通屏障在所述转子磁极外部彼此电隔离。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180807 US 62/715,3861.一种电机，其包括：
定子(410、420、1010、1120、1900)，所述定子限定具有相关联的电绕组(416、1904、2814、3314、3514)的多个定子磁极(412、802、902、1012、1122)，其中，所述定子包括具有与所述电绕组相关联的多个有源磁极(412、802、902、1012、1122)的有源磁性组件(106)；以及
转子(420、600、700、1020、1100)，所述转子包括多个转子磁极(422、602、804、904、1022)，所述转子相对于所述定子可移动并且与所述定子一起限定所述定子磁极与所述转子磁极之间的标称间隙(805、905、1015、1130、1910)，所述转子磁极包括导磁磁极材料；
其中，所述转子包括相邻的转子磁极之间的磁通屏障(704、906、1104、1304、1404)，所述磁通屏障各自包括第二材料，所述第二材料与所述导磁磁极材料的导电率不同，具体地，其中，所述磁通屏障的导电率大于所述导磁磁极材料的导电率；并且
其中，所述磁通屏障在所述转子磁极外部彼此电隔离。


2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述转子磁极(422、602、804、904、1022)的导磁磁极材料包括至少在所述转子(420、600、700、1020、1100)的表面处由导电性低于铁磁材料的界面彼此分开的铁磁材料层的堆叠。


3.根据权利要求1至2中任一项所述的电机，
其中，所述转子(420、600、700、1020、1100)包括无源磁性组件(108)，所述无源磁性组件限定所述导磁磁极材料的一系列间隔开的无源磁极，在所述无源磁极之间限定槽(604)，所述槽以与第一方向成非零角度延伸；
其中，每个槽包含相应的磁通屏障(704、906、1104、1304、1404)，所述磁通屏障包括所述第二材料，所述第二材料沿着所述槽延伸并且形成沿着所述槽的导电路径；并且
其中，所述磁通屏障被固定到所述槽内的所述导磁磁极材料并且仅通过所述导磁磁极材料彼此连接。


4.根据权利要求3所述的电机，
其中，所述无源磁性组件(108)包括多个无源磁极，所述无源磁极包括导磁磁极材料；
其中，所述无源磁性组件还包括连接所述无源磁性组件的相邻无源磁极的磁通屏障，所述磁通屏障(704、906、1104、1304、1404)各自包括不同于所述导磁磁极材料的导电材料并限定围绕导磁芯材料的至少一个导电路径；并且
其中，相邻的磁通屏障被布置成使得在任何磁通屏障的导电材料内限定的任何导电路径都不环绕在另一磁通屏障的导电材料内限定的任何导电路径的任何部分。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的电机，还包括电机控制器(104，130)，所述电机控制器包括多个开关(134)，所述多个开关耦合到所述有源磁性组件(106)的相应的电绕组(416、1904、2814、3314、3514)或多组绕组，其中，所述电机控制器被配置为：
相继地操作所述开关(134)达相应的磁极通电占空比以产生跨所述有源磁极与所述无源磁极之间的标称间隙(805、905、1015、1130、1910)的磁通量；并且，
在每个有源磁极的通电占空比期间，对通过所述有源磁极的绕组的电流进行包括至少3个脉冲的序列的脉冲化，在所述序列期间，相邻的有源磁极的绕组不通电；并且
其中，所述电机的电绕组被配置为使得在电流脉冲化期间通过被通电的有源磁极的绕组的最大电流与最小电流之比至少为4:1，具体是至...

【专利技术属性】
技术研发人员：MJ鲁宾，WW彭宁顿三世，GG史蒂文森，AD阿姆布雷赫特，EC小多斯桑托斯，
申请(专利权)人：Tau电机股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US