專利名稱：：利用低損耗材料的高效高速的電氣裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種電氣裝置，尤其涉及一種旋轉(zhuǎn)式電機(jī)，其能夠在具有高效率以及高功率密度和扭矩密度的情況下以高的換向頻率運(yùn)行。
背景技術(shù)：
：電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)工業(yè)不斷地尋找提供具有提高的效率和功率密度的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。電磁裝置的功率與裝置的激勵(lì)頻率(有時(shí)也被稱為換向頻率或電頻率)相關(guān)，使得裝置的激勵(lì)頻率的增加使功率提高。因此，當(dāng)需要提高功率時(shí)，常常需要具有較高激勵(lì)頻率的電機(jī)。通?？蓪⑼诫姍C(jī)的同步頻率表示為，N.P/2,其中f是以Hz為單位的電機(jī)的激勵(lì)頻率，N是以轉(zhuǎn)每秒為單位的速度，P是電機(jī)的極數(shù)。由此可知，當(dāng)電機(jī)的速度增加時(shí)，頻率增加，并且功率增加。同樣地，當(dāng)極數(shù)增加時(shí)，獲得相同轉(zhuǎn)速所需的激勵(lì)頻率增加。然而，當(dāng)極數(shù)增加時(shí)，對(duì)于給定的轉(zhuǎn)速，電^L的構(gòu)件中的-茲通量的時(shí)間變化率也增加，從而導(dǎo)致由于增加的鐵損而產(chǎn)生廢熱。在傳統(tǒng)裝置中內(nèi)部產(chǎn)生的熱的主要部分是主要由于用于定子的軟磁材料的磁滯而產(chǎn)生的鐵損，但是在轉(zhuǎn)子磁體和暴露于交變磁場(chǎng)的其它傳導(dǎo)構(gòu)件中也出現(xiàn)磁損耗。過(guò)去制造高頻電機(jī)(即具有大于400Hz的頻率的電機(jī))的努力通常8包括在高速下的低極數(shù)，以便將損耗保持在可接受的極限內(nèi)。現(xiàn)在大多數(shù)的電機(jī)使用包含按硅的重量計(jì)大約3.5%或更少的傳統(tǒng)硅鐵合金(Si-Fe)。特別地，在傳統(tǒng)的Si-Fe基材料中由于以大于大約400Hz的頻率改變的磁場(chǎng)而產(chǎn)生的損耗使材料加熱到裝置不能由任何可接受的裝置進(jìn)行冷卻的點(diǎn)。因此，在此以前認(rèn)為利用高頻激勵(lì)以獲得高功率的電機(jī)實(shí)際上不可能實(shí)現(xiàn)并因此在商業(yè)上不可行。然而，仍然存在對(duì)以高激勵(lì)頻率運(yùn)行并且同時(shí)在不需要任何費(fèi)心的冷卻方案的情況下仍提供高效率和大功率密度的組合的電機(jī)的持續(xù)需求。非晶態(tài)金屬和其它先進(jìn)的磁性材料的研發(fā)已使得人們相信利用這些材料的磁芯制成的電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)可潛在地提供比可在傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)中得到的高得多的效率和功率密度。特別地，非晶態(tài)金屬呈現(xiàn)希望的低損耗特性，使人想到利用非晶態(tài)金屬的磁芯制成的定子在理論上可產(chǎn)生具有提高效率的電機(jī)。然而，早先將非晶態(tài)材料結(jié)合到傳統(tǒng)電機(jī)中的努力沒有在商業(yè)上獲得成功，因?yàn)榇蠖鄶?shù)簡(jiǎn)單地包括利用非晶態(tài)材料置換低頻電機(jī)的傳統(tǒng)磁芯中的硅鐵。盡管這些電機(jī)中的一些提供適度提高的效率和較低的損耗，但是非晶態(tài)金屬的較低的飽和感應(yīng)(通量密度)有害地降低了功率輸出。此外，非晶態(tài)金屬的獨(dú)特的機(jī)械特性使其即使不是不可能、也是明顯更難于利用通常在構(gòu)造傳統(tǒng)的電機(jī)中采用的技術(shù)進(jìn)行處理?；趯⒄兄碌牟豢山邮艿母咛幚沓杀竞椭圃斐杀荆虼瞬徽J(rèn)為該替換是可行的。例如，美國(guó)專利4，578,610公開了具有通過(guò)簡(jiǎn)單地盤繞非晶態(tài)金屬帶的條而構(gòu)造的定子的高效率電動(dòng)機(jī)，其中纏繞非晶態(tài)帶然后開溝槽，并且然后將合適的定子繞組放置在溝槽內(nèi)。美國(guó)專利4,187,441公開了一種具有由非晶態(tài)金屬帶制成的螺》走纏繞的分層磁芯的高功率密度電機(jī)，該非晶態(tài)金屬帶具有用于容納定子繞組的溝槽。該專利還公開了利用在非晶態(tài)芯中切出溝槽的激光束。盡管圍繞在電機(jī)中使用非晶態(tài)金屬進(jìn)行了有意義的研究，但至今已證明非常難于利用低損耗材料而有成本效率地提供可容易制造的電氣裝置。許多人已放棄研制具有非晶態(tài)金屬的磁芯的商業(yè)上可行的電機(jī)的努力。因此，希望提供一種高效率的電氣裝置，其完全具有與低損耗材料相關(guān)的特定特性，從而消除與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的缺點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明大體涉及一種旋轉(zhuǎn)式電力裝置，包括但不局限于電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)或再生電動(dòng)機(jī)(在此統(tǒng)稱為"電氣裝置"、"電磁裝置"、"電機(jī)"等)。在此使用再生電動(dòng)機(jī)以指示可作為電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)運(yùn)行的裝置。在某些實(shí)現(xiàn)中，電氣裝置是組合裝置中的構(gòu)件。這種組合裝置的實(shí)例是包括整體地連接到至少一個(gè)風(fēng)扇的一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)。優(yōu)選地，本發(fā)明涉及一種具有改善特性的高效電氣裝置。更優(yōu)選地，本發(fā)明涉及一種能夠以高的頻率運(yùn)行的高效電氣裝置。包括本裝置的旋轉(zhuǎn)電機(jī)通常包括被稱為定子的固定構(gòu)件和被稱為轉(zhuǎn)子的同軸設(shè)置的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。轉(zhuǎn)子和定子的鄰近的面由小的空隙分開，該空隙由連接該轉(zhuǎn)子和定子的磁通量橫越。本領(lǐng)域的技術(shù)人員要理解的是，旋轉(zhuǎn)電機(jī)可包括多個(gè)機(jī)械連接的轉(zhuǎn)子和/或多個(gè)定子。實(shí)際上所有旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳統(tǒng)地分類為徑向空隙式或軸向空隙式。徑向空隙式電機(jī)是轉(zhuǎn)子與定子徑向地分開并且橫向磁通量主要垂直于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線引導(dǎo)的電機(jī)。在軸向空隙式裝置中，轉(zhuǎn)子和定子軸向地分開并且通量主要平行于旋轉(zhuǎn)軸線橫越。本發(fā)明的原理可應(yīng)用于這兩種類型的電機(jī)以及其它的電機(jī)類型，諸如由2004年6月9日提交的、名稱為"RadialAirgap,TransverseFluxMotor"的共同擁有的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)10/864,040所描繪的構(gòu)造。該申請(qǐng)?jiān)诖送ㄟ^(guò)引用而結(jié)合于本文中。除某些特定的類型以外，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)通常采用一種或多種類型的軟磁材料。"軟磁材料"意思是容易地并且有效地磁化和消磁的鐵磁性材料。在各磁化循環(huán)期間不可避免地耗散到磁性材料中的能量稱作磁滯損耗或鐵損。磁滯損耗的大小是激勵(lì)振幅和頻率的函數(shù)。軟磁材料還呈現(xiàn)高的導(dǎo)磁率和低的磁矯頑性。電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)還包括磁通勢(shì)源，其可由一個(gè)或多個(gè)永石茲體或由載流繞組環(huán)繞的附加軟^磁材料提供。也稱為"硬磁性材料"的"永磁材料"意思是具有高的磁矯頑性和強(qiáng)烈地保持其磁化并反抗消磁的磁性材料。取決于電機(jī)的類型，永^茲材料和軟磁材料可設(shè)置在轉(zhuǎn)子或定子上。到目前為止，當(dāng)前生產(chǎn)的電機(jī)的優(yōu)勢(shì)是使用作為軟磁材料的各種等級(jí)的電工鋼或電動(dòng)機(jī)鋼，其為具有一種或多種合金元素、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，并且該材料是無(wú)取向的。盡管通常認(rèn)為，與傳統(tǒng)的徑向空隙式電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)相比較，具有利用先進(jìn)的永》茲材料構(gòu)造的轉(zhuǎn)子和帶有利用先進(jìn)的低損耗軟材料、諸如非晶態(tài)金屬制成的芯的定子的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電積」具有提供明顯較高的效率和功率密度的潛能，但是幾乎沒有成功地制造這種軸向空隙式電才幾或徑向空隙式電才幾。本裝置的定子組件具有由低損耗的高頻材料制成的磁芯。優(yōu)選地，定子的磁芯由先進(jìn)的低損耗軟磁材料制成。這種材料的代表性實(shí)例包括某些非晶態(tài)金屬、納米晶體(nanocrystalline)金屬和優(yōu)化的Fe基合金。后者是可以為晶粒取向或非晶粒取向的晶體材料。優(yōu)選地，先進(jìn)的低損耗軟磁材料的特征為低于"L"的鐵損，其中L由公式1^12'f.BL5+30.f23'B23給出，其中L是以W/kg為單位的損耗，f是以KHz為單位的頻率，B是以特斯拉為單位的峰值磁通量密度。這些材料中的一種或多種材料的使用4吏得裝置的激勵(lì)頻率能增加到400Hz以上，其中鐵損只具有較小的增加，這相比于傳統(tǒng)電機(jī)中呈現(xiàn)較大的增加。得到的裝置高效并且能夠提供增加的功率。在一方面中，本發(fā)明提供具有高的極數(shù)的高效電氣裝置，其能夠提供增加的功率密度、改善的效率和更方形的扭矩-速度曲線。該裝置的優(yōu)選實(shí)施例采用軸向空隙式構(gòu)造，其包括至少一個(gè)定子組件，該至少一個(gè)定子組件包括具有多個(gè)溝槽的整體磁芯。溝槽纏繞有定子繞組。電磁裝置還包括至少一個(gè)轉(zhuǎn)子組件，其包括多個(gè)轉(zhuǎn)子極。轉(zhuǎn)子組件布置和設(shè)置成用于與至少一個(gè)定子發(fā)生磁相互作用。電磁裝置優(yōu)選ii地能夠在激勵(lì)作用下以高于400Hz的頻率連續(xù)地運(yùn)行。當(dāng)對(duì)以下本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明和附圖作出參考時(shí)，將更充分地理解本發(fā)明并且另外的優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，其中在多個(gè)視圖中相同的附圖標(biāo)記表示相似的元件，并且其中圖1A和圖1B分別以平面圖和側(cè)視圖描繪了本發(fā)明的定子結(jié)構(gòu)；圖2以平面圖描繪了根據(jù)本發(fā)明的包括定子繞組的定子結(jié)構(gòu)；圖3A和圖3B分別以平面圖和側(cè)視圖描繪了本發(fā)明的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，示出》茲體的^立置和才及性；圖4以平面圖描繪了用于本發(fā)明的軸向空隙式電動(dòng)機(jī)幾何形狀的定子/轉(zhuǎn)子布置；圖5A和圖5B是描繪扭矩vs速度曲線的圖表，以比較傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)與本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)的性能；圖6是描繪在0.4kHZ處、各種軟磁材料的鐵損vs磁通量密度的圖表；圖7是描繪在l.OkHZ處、各種軟磁材料的鐵損vs磁通量密度的圖表；圖8是描繪在2.0kHZ處、各種軟磁材料的鐵損vs磁通量密度的圖表；圖9是描繪在0.5T的磁通量密度處、各種軟磁材料的鐵損vs頻率的圖表；圖IO是描繪在l.O特斯拉的磁通量密度處、各種軟磁材料的鐵損vs頻率的圖表；圖11是描繪在1.5特斯拉的磁通量密度處、各種軟磁材料的鐵損vs頻率的圖表；圖12是表示實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的利用低損耗材料設(shè)計(jì)高效高速軸向空隙式電氣裝置的方法的流程12圖13是定子芯的一部分的透視圖，以描繪在實(shí)現(xiàn)由圖12表示的本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法中使用的某些芯尺寸；圖14是采用表面圖形式的圖表，以描繪用于根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的電機(jī)的扭矩與某些定子尺寸之間的關(guān)系；和圖15是適于在本發(fā)明的徑向空隙式電機(jī)中使用的定子形狀的平面圖。具體實(shí)施例方式參考附圖，以下將更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。本發(fā)明的方面包括具有由低損耗材料制成的繞線定子芯的諸如無(wú)電刷電動(dòng)機(jī)的電氣裝置的設(shè)計(jì)和/或制造。優(yōu)選地，定子芯由選自非晶態(tài)金屬、納米晶體金屬和優(yōu)化的Fe基合金的至少一種先進(jìn)的低損耗磁性材料構(gòu)成，所述材料包括晶粒取向材料和非晶粒取向材料。以下的段落提供這些先進(jìn)的低損耗磁性材料的實(shí)例和涉及各實(shí)例的簡(jiǎn)短討論。用于這種先進(jìn)的低損耗材料的普通定義如下。先進(jìn)的低損耗材料在優(yōu)選電氣裝置中的非晶態(tài)材料、納米晶體材料或優(yōu)化的Fe基材料的結(jié)合使得電機(jī)的頻率能夠從通常的行頻(50-60Hz)增加到400Hz或更高，其中僅有鐵損的較小的增加，這相比于利用諸如商業(yè)上的Si-Fe合金的傳統(tǒng)磁芯材料的傳統(tǒng)電機(jī)中的較大的增加。定子芯中低損耗材料的使用允許高頻率、高極數(shù)的電氣裝置的研發(fā)，其能夠提供增加的功率密度、改善的效率和更方形的扭矩-速度曲線。優(yōu)選地，定子組件包括選自非晶態(tài)合金、納米晶體合金或優(yōu)化的Fe基合金的至少一種材料。非晶態(tài)金屬亦稱金屬玻璃的非晶態(tài)金屬存在于適于在本裝置中使用的許多不同成分中。金屬玻璃通常由從熔體迅速淬火、例如通過(guò)以至少大約106°C/s的速度冷卻必要的成分的合金熔體形成。它們不呈現(xiàn)長(zhǎng)程的原子有序并具有只示出擴(kuò)散暈的x光衍射圖，類似于對(duì)無(wú)機(jī)氧化物玻璃所觀察到的。在授予Chen等的美國(guó)專利RE32，925中提出具有合適磁特性的許多成分。非晶態(tài)金屬通常在20cm或以上的寬度上以薄帶(例如至多大約50pm的厚度)的延伸長(zhǎng)度的形式供應(yīng)。授予Narasimhan的美國(guó)專利4,142，571公開了可用于形成不定長(zhǎng)度的金屬玻璃條的過(guò)程。適于在本發(fā)明中使用的示意性非晶態(tài)金屬是由Metglas，Inc.,Conway,SC銷售的、呈不定長(zhǎng)度帶的形式的并達(dá)到大約20cm寬和20-25|im厚的METGLAS2605SAl(見http:〃www.metglass.com/products/page5—1—2—4.htm)。還可使用具有必要特性的其它非晶態(tài)材料。非晶態(tài)金屬具有必須在磁性工具的制造和使用中考慮的許多特征。不同于大多數(shù)軟,茲材料，非晶態(tài)金屬(亦稱為金屬玻璃)非常薄并且硬和脆，尤其在通常用于優(yōu)化它們的軟磁特性的熱處理之后。結(jié)果，通常用于對(duì)電機(jī)的傳統(tǒng)軟磁材料進(jìn)行處理的許多機(jī)械操作難于或者不可能在非晶態(tài)金屬上進(jìn)行。通過(guò)才莫壓、沖壓、或切割形成的材料通常導(dǎo)致不可接受的工具磨損并且在脆性、熱處理材料上實(shí)際上不可能。通常還排除常常用于普通鋼4^的傳統(tǒng)鉆削和焊接。已知的非晶態(tài)金屬還呈現(xiàn)比傳統(tǒng)Si-Fe合金低的飽和磁通量密度。僅僅利用較低通量密度的非晶態(tài)金屬替換傳統(tǒng)的SiFe合金將產(chǎn)生具有降低的功率密度的電機(jī)，因此通常必須改變構(gòu)造。另外，非晶態(tài)金屬具有比傳統(tǒng)的Si-Fe合金低的熱導(dǎo)率和傳熱系數(shù)。由于熱導(dǎo)率決定熱量有多容易通過(guò)材料從暖位置傳導(dǎo)至冷位置，所以較低的熱導(dǎo)率值使電機(jī)的細(xì)心設(shè)計(jì)成為必要，以確保充分地消除磁性材料中由鐵損產(chǎn)生的廢熱、繞組中的電阻損耗、摩擦、游隙和其它損耗源。廢熱不充分的消除又將^f吏電^L的溫度不可^^妻受地升高。過(guò)高的溫度可能導(dǎo)致電氣絕緣或其它電機(jī)構(gòu)件過(guò)早失效。在有些情況下，過(guò)熱可導(dǎo)致沖擊性危險(xiǎn)或者引起對(duì)健康和安全的災(zāi)難性的火災(zāi)或者其它嚴(yán)重的危險(xiǎn)。14傳統(tǒng)的Si-Fe合金還呈現(xiàn)比非晶態(tài)金屬低的磁致伸縮系數(shù)。具有較低磁致伸縮系數(shù)的材料在磁場(chǎng)的影響下經(jīng)歷較小的尺寸變化，這又將趨向于產(chǎn)生較安靜的電機(jī)。盡管這些挑戰(zhàn)，本發(fā)明的方面提供一種裝置，其成功地結(jié)合先進(jìn)的軟>磁材料，并允許通過(guò)高頻激勵(lì)、例如大于大約400Hz的換向頻率進(jìn)行運(yùn)行。還提供用于制造該裝置的構(gòu)造技術(shù)。由于該構(gòu)造和先進(jìn)材料、尤其是非晶態(tài)金屬的使用，本裝置可成功地以高頻率(限定為大于大約400Hz的換向頻率)運(yùn)行，并且具有高的極數(shù)。非晶態(tài)金屬在高頻率處呈現(xiàn)低得多的磁滯損耗，這導(dǎo)致低得多的鐵損。與Si-Fe合金相比，非晶態(tài)金屬具有低得多的電導(dǎo)率，并且通常比平常使用的常常厚度為2001im或以上的Si-Fe合金薄得多。這兩個(gè)特性促進(jìn)較低的渦流鐵損。本發(fā)明成功地提供一種電機(jī)，其利用允許開發(fā)非晶態(tài)金屬的有利特性、諸如較低的鐵損的構(gòu)造而受益于這些有利屬性中的一個(gè)或多個(gè)并從而有效地以高的頻率運(yùn)行，并且同時(shí)避免早先使用先進(jìn)材料的努力中面對(duì)的挑戰(zhàn)。納米晶體金屬納米晶體材料是具有大約100納米或更小的粒徑的多晶體材料。與傳統(tǒng)的粗晶粒金屬相比，納米晶體金屬的屬性包括增加的強(qiáng)度和硬度、增強(qiáng)的擴(kuò)散率、改善的延展性和韌性、減小的密度、減小的模量、較高的電阻、增加的比熱、較高的熱膨脹系數(shù)、較低的熱導(dǎo)率、較好的軟磁特性、包括較低的鐵損?？捎稍S多技術(shù)形成納米晶體金屬。一種優(yōu)選的方法包括利用諸如在上文中說(shuō)明的技術(shù)，初始地將必要成分澆注成不定長(zhǎng)度的非晶態(tài)金屬帶，并將帶形成為諸如纏繞形狀的期望構(gòu)造。此后，熱處理該初始的非晶態(tài)材料，以在其中形成納米晶體微結(jié)構(gòu)。該微結(jié)構(gòu)的特征在于存在的高密度晶粒的平均尺寸小于大約100nm、優(yōu)選地小于大約50nm、更優(yōu)選地大約10-20nm。晶粒優(yōu)選地占據(jù)鐵基合金的至少50%的體積。這些優(yōu)選的材料具有低的鐵損和低的磁致伸縮。后一特性還通過(guò)由包括該構(gòu)件的裝置的制造和/或操作產(chǎn)生的應(yīng)力致使材料不太易受f茲特性的退化的影響。在給定的合金中產(chǎn)生納米晶體結(jié)構(gòu)所需的熱處理必須在比設(shè)計(jì)成在其中保存基本完全的玻璃狀微結(jié)構(gòu)所需的高的溫度下進(jìn)行，或者持續(xù)比設(shè)計(jì)成在其中保存基本完全的玻璃狀微結(jié)構(gòu)長(zhǎng)的時(shí)間。優(yōu)選地，納米晶體金屬是鐵基材料。但是，納米晶體金屬也可基于或包括其它鐵磁性材料，諸如鈷或鎳。已知適于在構(gòu)造用于本裝置的磁性元件中使用的代表性的納米晶體合金為例如在授予Yoshizawa的美國(guó)專利4,881,989和授予Suzuki等的美國(guó)專利5，935,347中提出的合金。這種材料可/人HitachiMetals,VacuumschmelzeGmbH和AlpsElectric得到。具有低損濤毛特性的示意性納米晶體金屬是HitachiFinemetFT-3M。具有低損耗特性的另一示意性納米晶體金屬是VacmraischmelzeVitroperm500Z。優(yōu)化的Fe基合金該電機(jī)還可利用優(yōu)化的低損耗Fe基晶體合金材料構(gòu)造。優(yōu)選地，這種材料具有厚度小于大約125,、比傳統(tǒng)地在電機(jī)中使用的鋼薄得多的條形式，傳統(tǒng)地在電機(jī)中使用的鋼具有200jim或以上的、并且有時(shí)差不多400nm或以上的厚度?？墒褂镁ЯＨ∠蚝头蔷ЯＨ∠虻牟牧?。如在此使用地，術(shù)語(yǔ)l又向材料"表示組分微晶晶粒的主要晶軸不是任意取向、而是主要地沿一個(gè)或多個(gè)優(yōu)選方向相關(guān)的材料。由于上述微結(jié)構(gòu)，所以取向條材料不同地響應(yīng)于沿不同方向的磁性激勵(lì)，而非取向材料各向同性地響應(yīng)、即大致相同地響應(yīng)于條的平面中沿任何方向的激勵(lì)。通常通過(guò)本領(lǐng)域已知的方法、通過(guò)最普通地包括滾軋的合適的熱機(jī)械處理獲得晶粒取向。因此使晶粒的磁化和磁疇沿滾軋過(guò)程的方向取向。該磁疇取向允許內(nèi)部磁化更容易地沿取向的方向可逆，從而產(chǎn)生沿該優(yōu)選方向較低的鐵損。然而，鐵損在正交于優(yōu)選耳又向的方向上增加，并且可證明在電氣裝置的應(yīng)用中是不利的。如果在16本電機(jī)中使用，則晶粒取向材料優(yōu)選地在該材料的易磁化方向大致與^磁通量的主方向一致的情況下設(shè)置。在"非取向材料"中，晶粒不具有組分晶粒的上述晶序。因此，非取向材料不需要沿相對(duì)于磁通量的任何特定方向設(shè)置。如在此使用地，傳統(tǒng)的Si-Fe指的是按硅的重量計(jì)算具有大約3.5%或更少的硅含量的硅鐵合金。由于具有較高硅含量的Si-Fe合金的差的金屬制品材料特性，所以由行業(yè)強(qiáng)加硅的3.5wt。/。的限度。由在具有大于大約400Hz的頻率的磁場(chǎng)下運(yùn)行產(chǎn)生的傳統(tǒng)Si-Fe合金等級(jí)的鐵損明顯高于低損耗材料的鐵損。例如，在某些情況下，在本電機(jī)令人滿意地運(yùn)行的頻率和通量水平處，傳統(tǒng)Si-Fe的損耗可達(dá)到合適的非晶態(tài)金屬的損耗的10倍。結(jié)果，在許多實(shí)施例中，傳統(tǒng)材料在高頻運(yùn)行下將加熱到傳統(tǒng)電機(jī)不能由任何可接受的裝置冷卻的點(diǎn)。然而，有些等級(jí)的硅鐵合金、在此稱為優(yōu)化的Si-Fe具有合適的低損耗并因此直接適用于生產(chǎn)高頻電機(jī)。在本發(fā)明的實(shí)踐中使用的優(yōu)化的Fe基合金包括硅鐵合金等級(jí)，其包括按重量計(jì)算大于3.5%、優(yōu)選地多于4%的硅。在根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)造電機(jī)中使用的非晶粒取向的Fe基材料優(yōu)選地基本上由具有在量上從大約4至7.5wt.%Si變化的Si與Fe的合金構(gòu)成。這些優(yōu)選的合金具有比傳統(tǒng)的Si-Fe合金更多的Si。此外可使用諸如鋁硅鐵粉的Fe-Si-Al合金。更優(yōu)選的非取向優(yōu)化的合金具有大致由大約6.5±lwt.%Si與Fe構(gòu)成的合成物。更優(yōu)選地，合金具有大約6.5%的硅并呈現(xiàn)接近零值的飽和磁致伸縮，使得它們不太易受由在包含該材料的裝置的構(gòu)造和運(yùn)行期間遭遇的應(yīng)力所引起的有害磁特性退化的影響。優(yōu)化的目的是獲得改善的磁特性的合金，包括減小的磁致伸縮和尤其是較低的鐵損。這些有益的特性可在通過(guò)合適的制造方法制成的具有增加的硅含量的某些合金中獲得。在某些情況下，這些優(yōu)化的Fe基合金的特征在于類似于非晶態(tài)金屬的鐵損和磁飽和。然而，包含超過(guò)大約4at.%Si的合金因?yàn)樗鼈冇捎诙坛逃行蛩鸬拇嘈远y于通過(guò)傳統(tǒng)方法生產(chǎn)。特別地，用于生產(chǎn)傳統(tǒng)Si-Fe的傳統(tǒng)滾軋技術(shù)通常不能生產(chǎn)優(yōu)化的Si-Fe。然而，其它已知的技術(shù)用于生產(chǎn)優(yōu)化的Si-Fe。例如，日本東京的JFESteel公司供應(yīng)作為50和100pm厚的磁性條的Fe-6.5Si合金的一種合適形式(還見http:〃www.jfe-steel.co.jp/en/products/electrical/supercore/index.html)。還可4吏用濁口由4受予Das等的美國(guó)專利4,865,657和授予Tsuya等的美國(guó)專利4,265,682公開的通過(guò)快速凝固工藝生產(chǎn)的Fe-6.5%Si。還已知快速凝固工藝用于制備鋁硅鐵粉和相關(guān)的Fe-Si-Al合金。優(yōu)選的軟》茲材料的損耗特性本電機(jī)優(yōu)選的材料的改善的損耗特性的主要貢獻(xiàn)歸因于明顯減小的磁滯損耗。如本領(lǐng)域已知的，磁滯損耗歸因于在所有軟磁材料的磁化期間受阻止的疇壁運(yùn)動(dòng)。這種損耗通常在傳統(tǒng)使用的磁性材料中、諸如在傳統(tǒng)的晶粒取向Si-Fe合金和非取向的電動(dòng)機(jī)鋼和電工鋼中高于在本電機(jī)的優(yōu)選采用的改善材料中。高的損耗又可造成芯的過(guò)熱。更具體地，發(fā)現(xiàn)軟磁材料的鐵損通常可由以下改進(jìn)的Steinmetz方程表示L-a'f.Bb+c一.Be(1)其中L是以W/kg為單位的損耗，f是以kHz為單位的頻率，B是以特斯拉為單位的峰值磁通量密度，和a、b、c、d和e為對(duì)任何具體的軟;磁材料特定的所有經(jīng)驗(yàn)損耗系數(shù)。如在此使用地，術(shù)語(yǔ)"先進(jìn)的低損耗材料"包括其特征為鐵損低于"L"的那些材料，其中L由公式L-12.fB"+30.f2'3.B23給出，"L"、"f，、圖6-11^是供示出在從0.4kHz到2.0kHz變化的各種頻率和從0,5特斯拉到1.5特斯拉變化的各種磁通量密度處、各種軟磁材料vs磁通量密度或頻率的鐵損特性的圖表(如方程I^a'fBb+c^'Be限定的)。在以下的表I中提供用于圖6-11所示的每種材料的損耗系數(shù)。還提供如在下文中更詳細(xì)地討論的限定先進(jìn)的低損耗材料的損耗系數(shù)。表I軟磁材料的損耗系數(shù)損耗系數(shù)等向粉末HoeganesSomalloy500，+.05%Kenolube通常的26非晶粒取向晶粒取向的0.014"OrthosilM629規(guī)格El1/2,Thomas&Skinner"先進(jìn)材料"限定的損耗限制40.2711.3938.1312.00b2.151.622.371.50c141.24112.4314.1930.00d1.151.723.662.3061.462.012.142.30表I(續(xù)表)損耗氣相淀積6.5%非晶態(tài)金屬納米晶體的，納米晶體的系數(shù)Si,JFESuperE,Metglas2605SA1,VACVitropermHitachiFinemet0.1O腿/>開的文獻(xiàn)500ZFT-3M10.77000.00b1.85000c7.836.50.841.05d1.931.511.51.1561.851.7412.32以上材料中的每種材料是主要由鐵基合金構(gòu)成的軟磁材料。在上述表中表示的各系數(shù)可v^人材料的廠家得到，或者可源自可/人材沖+的廠家得到的材料規(guī)格；在材料的說(shuō)明書上經(jīng)常包括這些系數(shù)。為此，軟19磁材料的各廠家通常參與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ASTM試驗(yàn)法，該工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ASTM產(chǎn)生用于Steinmetz方程的系數(shù)可從其中推出的材料規(guī)格。如圖6-11中可觀察到的，繪制閾值線段以示出限定"先進(jìn)的低損耗材料"的損耗閥值的損耗方程。具有在該閥值上方繪制的損耗方程的材料不是"先進(jìn)的低損耗材料"。具有在該閥值處或低于該閥值繪制的損耗方程的材料在此限定為"先進(jìn)的低損耗材料"或"先進(jìn)材料"。如從圖6-11中可觀察到的，先進(jìn)的低損耗材料非限制性地包括非晶態(tài)金屬、納米晶體合金和優(yōu)化的Fe基合金。在本裝置的運(yùn)行條件下呈現(xiàn)類似的低損耗的其它軟-茲材料同樣合適。優(yōu)選地，在本電機(jī)中使用的先進(jìn)的低損耗軟磁材料具有至少大約1.2T、并且更優(yōu)選地至少大約1.5T的飽和磁通量密度。在公開的以下段落中，提供由這種先進(jìn)的低損耗材料構(gòu)成的高效率電磁電機(jī)的說(shuō)明。針對(duì)從0.4kHz到2.0kHz變化的頻率和從0.5特斯拉到1.5特斯拉變化的磁通量密度示出圖6-11所提供的繪圖，因?yàn)檫@些是用于在此說(shuō)明的電機(jī)的運(yùn)行的通常范圍。然而，在此說(shuō)明的電機(jī)不限于在這種范圍內(nèi)運(yùn)行。總體的裝置結(jié)構(gòu)本發(fā)明提供一種電氣裝置，其包括一個(gè)或多個(gè)定子和諸如轉(zhuǎn)子的一個(gè)或多個(gè)^t場(chǎng)組件。該一個(gè)或多個(gè)定子由先進(jìn)的低損耗材料形成，諸如非晶態(tài)金屬、納米晶體金屬或優(yōu)化的Fe基合金。本電機(jī)還包括轉(zhuǎn)子組件，其支承為用于繞軸線旋轉(zhuǎn)并與定子組件同軸地布置和設(shè)置成與定子組件發(fā)生磁相互作用。設(shè)想軸向空隙式構(gòu)造和徑向空隙式構(gòu)造。本電機(jī)可包括一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子組件和一個(gè)或多個(gè)定子組件。因此，如在此參考電機(jī)使用的術(shù)語(yǔ)"轉(zhuǎn)子，，和"定子，，表示從一個(gè)到多至三個(gè)或以上的多個(gè)轉(zhuǎn)子組件和定子組件。在優(yōu)選實(shí)施例中，本電^L具有軸向空隙式構(gòu)造。更優(yōu)選地，電機(jī)是軸向空隙式DC無(wú)刷裝置，其采用包括多個(gè)周向間隔開的永^磁體的盤狀轉(zhuǎn)子組件。圖1A和1B分別示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的定子的平面圖和側(cè)視圖。先進(jìn)的低損耗材料的帶繞成大的環(huán)圏，以形成定子金屬芯20。這些帶在厚度上通常為0.10mm(0.004")或更低。當(dāng)沿軸向方向觀察時(shí)，由帶纏繞的環(huán)圈具有內(nèi)徑和外徑，其內(nèi)徑和外徑限定被稱為總面積(TA)的表面積。然后，使金屬芯加工有溝槽23，以形成定子的整體磁芯(以下進(jìn)一步詳細(xì)討論)。溝槽減小金屬芯的表面積。圖1A示出定子芯20的內(nèi)徑(d)和外徑(D),并且還示出加工到金屬芯20中以形成定子的具有外寬(W)的溝槽23。在去除溝槽后留下的表面積被稱為低損耗金屬面積。在低損耗材料是非晶態(tài)金屬的優(yōu)選實(shí)施例中，低損耗金屬面積也被稱為非晶態(tài)金屬面積(AMA)。金屬芯具有限定內(nèi)徑(d)的內(nèi)周。內(nèi)周在開溝槽的部分上不連續(xù)。代替地，橫過(guò)溝槽的內(nèi)周具有溝槽位于其中的空隙。這些溝槽設(shè)計(jì)成保持定子繞-故稱為齒21。圖1B示出當(dāng)齒21與定子20的總高度(H)相比較時(shí)齒21的高度(T)?？偢叨劝ㄗo(hù)鐵24的高度加上齒21的高度。存在相等數(shù)量的齒21和溝槽23。在優(yōu)選的實(shí)施例中，齒的最狹窄的部分不小于0.100英寸。當(dāng)在定子上開槽時(shí)去除的面積可與傳導(dǎo)性定子繞組一起填充有灌注混合物和/或修飾化合物、或薄的有機(jī)絕緣材料，如本領(lǐng)域已知的。如先前所提及的，在一個(gè)實(shí)施例中，定子芯由先進(jìn)的低損耗材料組成并且在結(jié)構(gòu)上是"整體的"。如在此所使用的，在結(jié)構(gòu)為"整體"的定子芯不需要裝配兩個(gè)或多個(gè)子構(gòu)件以使定子芯完整。另外，在此公開的整體定子芯還是"單體式"定子芯。如在此所使用的，術(shù)語(yǔ)"單體式"(或"單體，，)指的是如下的定子芯其由軟^t材料的薄帶分層以形成基本形狀，然后從該基本形狀去除材料以形成該定子芯(例如在基本形狀上開槽以在定子芯上形成齒)。不幸的是，先進(jìn)的低損耗材料趨向于非常脆，并且證明制造單體式定子芯是困難的。然而，包括先進(jìn)的低損耗材料的某些廠家的若干企業(yè)已利用各種工藝、諸如電火花加工、激光切割、和電氣化學(xué)研磨和傳統(tǒng)的研磨制造由先進(jìn)的低損耗材料制21成的這種定子。共同受讓的美國(guó)專利7,018,498提供了一種合適的構(gòu)造技術(shù)，該專利在此通過(guò)引用而結(jié)合于本文中。盡管在此說(shuō)明的一些定子芯具有單體式的和整體的結(jié)構(gòu)，但可設(shè)想各種非整體的和非單體式的定子芯用于本電機(jī)中。例如，隨后能夠?qū)?單體式"定子芯切割成段，使得得到的定子芯不是"整體的"。同樣地，"整體的"定子芯可通過(guò)將先進(jìn)的材料模制成包括任何齒的定子芯的形式而形成，但是因?yàn)椴焕帽Юp繞定子芯以形成隨后從基本形狀上去除材料的基本形狀，所以得到的定子芯不是"單體式的，，。本裝置的某些實(shí)現(xiàn)中的定子芯由多個(gè)子組件裝配而成。例如，由圖1A-1B描繪的軸向定子20的齒21和環(huán)形護(hù)4^部分24可單獨(dú)形成并結(jié)合以提供最終的構(gòu)造。將單獨(dú)的構(gòu)件固定以提供機(jī)械完整性并維持成品裝置中組成構(gòu)件的相對(duì)定位。固定可包括機(jī)械結(jié)合、夾緊、膠粘、灌注等的任何組合。各種粘合劑可以是合適的，包括由環(huán)氧樹脂、清漆、厭氧膠粘劑、氰丙烯酸酯和室溫硫化(RTV)硅樹脂材料構(gòu)成的粘合劑。粘合劑令人期望地具有低粘度、低收縮量、低彈性模量、高抗剝強(qiáng)度和高介電強(qiáng)度。環(huán)氧樹脂可以是多部分環(huán)氧樹脂或單部分環(huán)氧樹脂，該多部分環(huán)氧樹脂的固化由化學(xué)地活化，該單部分環(huán)氧樹脂的固化被熱力地活化或通過(guò)暴露至紫外線輻射而活化。優(yōu)選地，粘合劑具有小于1000cps的粘度和近似等于金屬的、或者大約10ppm的熱膨脹系數(shù)。圖2示出整體的單體式定子芯20,其纏繞有定子繞組22。纏繞有定子繞組22的定子20放置在環(huán)形殼體中并灌注有合適的有機(jī)介電體。能夠?qū)⒍鄠€(gè)不相鄰的溝槽布線成與大約0.5的每極每相(SPP)值的溝槽對(duì)應(yīng)的共同的磁性部分，其中SPP比通過(guò)定子芯中的溝槽數(shù)量除以定子繞組中的相數(shù)和DC極數(shù)而確定(SPP—勾槽/相/極)。沒有^皮繞組占據(jù)的開槽面積、即灌注、清漆和絕緣材料面積是廢面積(WA)?？偯娣e與廢面積之間的差值被稱為有用面積。在SPP=0.5的某些優(yōu)選實(shí)施例中，發(fā)現(xiàn)將有用空間的大約35%+/-10%分配給傳導(dǎo)性繞組趨向于使22電機(jī)的功率密度(每立方厘米的功率輸出)優(yōu)化。在應(yīng)用于各定子齒的恒定的基頻和恒定的安培匝數(shù)的假定下給出該百分比值。通過(guò)相同的計(jì)算，并且在相同的假定下，發(fā)現(xiàn)大約50%+/-10%的不同百分比用于優(yōu)化扭矩密度(每公斤有效材料的扭矩)。能夠適當(dāng)?shù)刂С卸ㄗ硬贾玫娜魏魏线m的材料可用于環(huán)形殼體。盡管環(huán)形殼體優(yōu)選地為非磁性的，但是對(duì)環(huán)形殼體材料的傳導(dǎo)率沒有限制。其它因素也可影響環(huán)形殼體材料的選擇，諸如機(jī)械強(qiáng)度的要求。在特定的實(shí)施例中，環(huán)形殼體由鋁形成。如本領(lǐng)域公知的，/磁場(chǎng)組件鄰近定子本體設(shè)置，以布置和設(shè)置成用于與該定子發(fā)生磁相互作用。圖3A和3B分別示出用于軸向空隙式裝置的采用轉(zhuǎn)子30的形式的石茲場(chǎng)組件的頂一見圖和側(cè)3見圖。轉(zhuǎn)子30與定子圍繞公共軸線31居中。圖3A示出圍繞轉(zhuǎn)子定位的具有交變極性的多個(gè)磁體32。在不同的實(shí)施例中，磁體32的定位和極性可根據(jù)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的需要而改變。在優(yōu)選的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子包括多個(gè)7Ja茲體。圖3B示出轉(zhuǎn)子沿圖3A的線A的側(cè)視圖。在圖3B所示的轉(zhuǎn)子的實(shí)施例中，磁體32延伸通過(guò)轉(zhuǎn)子30的厚度。在其它實(shí)施例中，磁體32未延伸通過(guò)轉(zhuǎn)子30的厚度。優(yōu)選地，轉(zhuǎn)子布置是盤型轉(zhuǎn)子或軸向型轉(zhuǎn)子，其包括周向間隔開的高能量乘積的永磁體(例如稀土磁體，諸如鈷稀土磁體或NdFeB)?！菲濗w具有限定北極和南極的相對(duì)端，從而產(chǎn)生大致垂直于盤表面并朝向面對(duì)的定子組件而放射的磁通量。磁體32適的布置，使得處于交變極性的磁極可沿鄰近定子布置的預(yù)定路徑接近。轉(zhuǎn)子30的磁體區(qū)域具有外徑和內(nèi)徑，該內(nèi)徑形成內(nèi)部空腔34,以允許轉(zhuǎn)子例如附連至軸，該軸也可與轉(zhuǎn)子托架結(jié)構(gòu)一體地形成。在包括轉(zhuǎn)子和定子的軸向型布置的優(yōu)選實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子30的外徑和內(nèi)徑大致與定子20的外徑和內(nèi)徑相同。如果轉(zhuǎn)子30的外徑大于定子20的外徑，則轉(zhuǎn)子的外部無(wú)助于性能，而是僅僅增加重量和慣性。如果轉(zhuǎn)子的外徑小于定子的外徑，則結(jié)果是性能降低。在不同的實(shí)施例中，磁體安裝在轉(zhuǎn)子上或設(shè)置在轉(zhuǎn)子中?？墒?茲體隔開，使得在交變的磁體之間沒有周向地存在余隙。優(yōu)選的是，使磁體之間的間隔保持為使齒槽扭矩(torquecogging)的出現(xiàn)最少的最優(yōu)值。在輸入電流大大減小之后并且在軸處于0rpm或非常卩氐的rpm的同時(shí)，齒槽扭矩為扭矩隨位置的變化。具有明顯的齒槽扭矩的任何電機(jī)可遭受不合需要的性能和聲學(xué)問(wèn)題。最優(yōu)間隔源自首先利用定子20的低損耗金屬面積除以定子槽的數(shù)量以得到各單獨(dú)的金屬芯齒的面積。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是，磁體之間的最優(yōu)間隔為使得各磁體的總面積等于芯齒的面積的175%+/-20%。盡管將磁體描述為永磁體，但是這不是必要條件。》茲體可以是其它類型的磁性材料，或者在其它實(shí)施例中，可以是電磁體、感應(yīng)式電機(jī)等等。此外，盡管在盤型或軸向型的實(shí)施例的上下文中大體地討論了裝置，但是本發(fā)明的電氣裝置不局限于軸向型裝置。相反，該電氣裝置可在轉(zhuǎn)子磁體位于徑向轉(zhuǎn)子的外周上的情況下具有各式各樣的構(gòu)造，諸如筒型或徑向型的電動(dòng)機(jī)。此外，橫過(guò)轉(zhuǎn)子布置而間隔開的磁體的數(shù)量還可在仍然屬于本發(fā)明范圍內(nèi)的同時(shí)進(jìn)行變化。圖4示出電氣裝置的實(shí)施例的側(cè)視圖，其包括兩個(gè)定子芯20，所述兩個(gè)定子芯20在軸向型布置中定位在用于兩個(gè)定子20的單個(gè)轉(zhuǎn)子30的兩側(cè)，并沿著與該單個(gè)轉(zhuǎn)子30共同的中心軸線31。轉(zhuǎn)子30優(yōu)選地包括多個(gè)周向"&置的永磁體，以提供用于與兩定子相互作用的轉(zhuǎn)子極。繞組22纏繞在定子20上。在特定的實(shí)施例中，發(fā)現(xiàn)在單個(gè)轉(zhuǎn)子的兩側(cè)上包括由Metglas⑧合金構(gòu)成的定子芯的電氣裝置具有高的功率密度。在仍然屬于本發(fā)明的范圍的同時(shí)，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員明顯的是設(shè)計(jì)的變體，其包括根據(jù)在此描繪的設(shè)計(jì)原理的單獨(dú)構(gòu)件的尺寸的選擇甚至不存在給定的構(gòu)件。圖4實(shí)施例包括兩個(gè)定子芯和在兩個(gè)定子芯之間的一個(gè)轉(zhuǎn)子布置。然而，要指出的是，本發(fā)明的電氣裝置還允許根據(jù)需要堆疊許多附加的交替的定子和轉(zhuǎn)子布置，以滿足預(yù)期應(yīng)用的需要。定子殼體通24常是另一個(gè)的鏡像，因此只詳細(xì)說(shuō)明一個(gè)定子芯。其它構(gòu)造同樣適于本電機(jī)。例如，圖15描繪了具有從護(hù)鐵63徑向向內(nèi)延伸的齒62和溝槽61的定子60。這種定子通常通過(guò)將先進(jìn)的低損耗軟磁材料的多張薄平面疊層結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)疊置的層壓法形成。本電機(jī)的徑向空隙式實(shí)施例可采用如圖所示的具有16個(gè)齒和溝槽的定子和相關(guān)的定子繞組(未示出)。這種定子可與合適構(gòu)造的12個(gè);茲體的轉(zhuǎn)子一起使用，以產(chǎn)生四相的徑向空隙式裝置。本裝置的徑向通量實(shí)施例也可構(gòu)造有其它數(shù)目的溝槽和相。在本發(fā)明的另一方面中，提供一種電機(jī)系統(tǒng)，其包括根據(jù)在此提出的原理設(shè)計(jì)的高效電機(jī)和可操作地連接到該電機(jī)的功率電子裝置。對(duì)于電動(dòng)(motoring)應(yīng)用，電機(jī)通過(guò)功率電子裝置連接到電源，諸如電網(wǎng)、電化學(xué)電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池或任何其它合適的電能源。任何必要類型的機(jī)械負(fù)載可連接到電機(jī)軸。電動(dòng)電機(jī)必須直接地或者通過(guò)DC功率的整流供應(yīng)有AC功率。盡管機(jī)械整流已長(zhǎng)時(shí)間與刷式電機(jī)一起使用，但高功率半導(dǎo)體器件的可用性使得能夠?qū)崿F(xiàn)功率電子裝置的設(shè)計(jì)，該功率電子裝置包括電路以提供電子整流。因此，許多現(xiàn)代永磁電動(dòng)機(jī)避免了對(duì)電刷和機(jī)械整流的需求。在發(fā)電模式中，電機(jī)軸機(jī)械地連接到可以是旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的任何源的原動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)還通過(guò)功率電子裝置連接到電力負(fù)載，該電力負(fù)載可包括任何形式的電氣設(shè)備或電能儲(chǔ)存器。電機(jī)系統(tǒng)還可用作例如連接到車輛的驅(qū)動(dòng)輪的系統(tǒng)的再生電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其交替地向車輛提供機(jī)械推力和將車輛的動(dòng)能返回地轉(zhuǎn)變成在電池等中儲(chǔ)存的電能，以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。認(rèn)為許多的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)同步地運(yùn)行，這意味著AC輸入或輸出功率具有與旋轉(zhuǎn)頻率和極數(shù)相當(dāng)?shù)念l率。因此，直接連接到電網(wǎng)、例如連接到由電力>司通常提供的50或60Hz的電網(wǎng)或常常在船舶和航天系統(tǒng)中使用的400Hz電網(wǎng)的同步電動(dòng)機(jī)以特定的速度運(yùn)行，其中僅僅通過(guò)改變極數(shù)可獲得的同步速度發(fā)生變化。對(duì)于同步發(fā)電，通常必須控制原動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，以提供穩(wěn)定的相當(dāng)?shù)妮敵鲱l率。有些原動(dòng)機(jī)內(nèi)在地提供電機(jī)所不能容忍的太高或太低的旋轉(zhuǎn)速度，該電機(jī)具有在已知設(shè)計(jì)的實(shí)際限制內(nèi)的極數(shù)。在這種情況下，旋轉(zhuǎn)電機(jī)不能直接連接到原動(dòng)機(jī)的軸，所以盡管伴隨增加的復(fù)雜性、效率的損失和潛在的機(jī)械故障，但是常常必須采用變速箱。已知超速驅(qū)動(dòng)(即輸出速度高于輸入速度)變速箱特別不可靠。例如，風(fēng)力渦輪機(jī)緩慢地旋轉(zhuǎn)以致需要不合需要的超速傳動(dòng)變速箱或具有非常大的極數(shù)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)。另一方面，為了獲得具有期望的機(jī)械效率的正確運(yùn)行，通常的燃?xì)鉁u輪機(jī)迅速地旋轉(zhuǎn)，以致甚至在低的極數(shù)下，通過(guò)直接驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)的頻率輸出為不可接受的高。對(duì)于電動(dòng)應(yīng)用和發(fā)電應(yīng)用的替換是有功功率轉(zhuǎn)化。.如在此使用的，術(shù)語(yǔ)"功率電子"理解成表示電子電路，其適于將作為直流(DC)或特定頻率和波形的交流(AC)供應(yīng)的電源轉(zhuǎn)化成作為DC或AC的電功率輸出，所述輸出和輸入至少在電壓、頻率和波形中的至少一個(gè)方面不同。該轉(zhuǎn)化通過(guò)功率電子轉(zhuǎn)化電路完成。對(duì)于除AC功率利用普通變換器的簡(jiǎn)單變壓以外的情形，現(xiàn)代功率轉(zhuǎn)化通常采用非線性半導(dǎo)體器件和提供主動(dòng)控制的其它相關(guān)的構(gòu)件，其中該普通變換器保持AC的頻率和簡(jiǎn)單的橋式整流以提供DC。在控制電路中常常包括合適的電壓和電流控制與調(diào)整。如在此討論的，才艮據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的電機(jī)可在比傳統(tǒng)裝置寬得多的旋轉(zhuǎn)速度范圍內(nèi)作為電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)運(yùn)行。合適的功率電子裝置還Y更于在類似的寬范圍內(nèi)的變速運(yùn)行，這在許多不同的最終用途中是期望的。在許多情形下，可排除在此以前在電動(dòng)才幾和發(fā)電才幾的應(yīng)用中所需要的變速箱。但是，得到的益處還需要使用功率電子裝置，其可在比傳統(tǒng)電機(jī)中所采用電子頻率范圍更寬的電子頻率范圍內(nèi)運(yùn)行。取決于電機(jī)系統(tǒng)的期望性能，電機(jī)的工作特性及其相關(guān)的功率電子裝置被最好地共同優(yōu)化。期望的性能特性的實(shí)例包括高頻整流、保26持低的電感和保持可接受的低速度控制。合適的功率電子裝置是用于從電氣裝置獲得最大可能性能的關(guān)鍵要素。較差的功率電子裝置也可導(dǎo)致功率電子裝置(PE)脈動(dòng)和可不利地影響性能的在電氣裝置運(yùn)行期間的扭矩不合需要的變化。利用低損耗材料的高極數(shù)的高頻設(shè)計(jì)本結(jié)構(gòu)和方法可應(yīng)用于具有從低到高變化的極數(shù)的電機(jī)。但是，本構(gòu)造的益處尤其在如下的電機(jī)系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)，其中在定子中低損耗材料的結(jié)合允許高極數(shù)的使用以及以高于通常行頻的頻率的運(yùn)行。例如，在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供具有高極數(shù)的無(wú)刷永磁電氣裝置，其以至少200Hz的交變頻率運(yùn)行。更優(yōu)選地，電機(jī)適于以大于大約500Hz的交變頻率、更加優(yōu)選地以/人大約500Hz到3kHz或以上的交變頻率連續(xù)運(yùn)行。最優(yōu)選地，電機(jī)在激勵(lì)下以從大約600Hz至1200Hz的頻率、例如以大約1000Hz的頻率運(yùn)行。設(shè)計(jì)者傳統(tǒng)地避免用于高速電機(jī)的高極數(shù)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的定子芯材料、諸如Si-Fe不能以高極數(shù)所必需的成比例更高的頻率運(yùn)行。特別地，由于由材料內(nèi)改變的磁通量所產(chǎn)生的鐵損，所以利用Si-Fe的已知裝置不能以顯著高于400Hz的磁頻切換。超過(guò)該限度，鐵損使材料加熱到裝置不能由任何可接受的裝置進(jìn)行冷卻的點(diǎn)。在某些條件下，Si-Fe材料的加熱甚至可嚴(yán)重到電機(jī)無(wú)論如何不能冷卻，并且將自毀。然而，已確定的是，合適的非晶態(tài)金屬、納米晶體金屬和優(yōu)化的Fe基金屬的低損耗特性允許比傳統(tǒng)的Si-Fe材料可能切換速度的高得多的切換速度。盡管在優(yōu)選實(shí)施例中非晶態(tài)金屬合金的選擇、例如Metglas2605SA1合金消除由于在高頻率下運(yùn)行的受熱而產(chǎn)生的系統(tǒng)限制，但是還改善繞組構(gòu)造、轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)和總體的電機(jī)構(gòu)造，以較好地利用非晶態(tài)材料的有益特征。利用高得多的激勵(lì)頻率的能力允許本電機(jī)設(shè)計(jì)有寬得多的可能的極數(shù)范圍。在本裝置中的極數(shù)是基于實(shí)際生產(chǎn)的磁體的最小尺寸、可允許的電機(jī)尺寸(物理約束)和期望的性能范圍的變量。在可允許的激勵(lì)頻率限度的條件下，可增加極數(shù)，直到磁通量泄漏增加到不合需要的值或者性能開始降低。在優(yōu)選電機(jī)中的極數(shù)和溝槽數(shù)可達(dá)96或更多。對(duì)于諸如風(fēng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的某些低速裝置，優(yōu)選甚至更高的值(兩倍或更多)。當(dāng)在相同的速度范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，提供的電機(jī)通常比工業(yè)中的通常裝置更有效，并且因此提供較大的可能速度范圍。本構(gòu)造以將高能量效率、高功率密度、裝配簡(jiǎn)易性、和昂貴的軟磁材料和硬磁性材料的有效使用相結(jié)合的方式，尤其對(duì)具有非常寬的速度范圍、功率范圍、和扭矩額定范圍的電機(jī)的結(jié)構(gòu)有吸引力。在實(shí)踐中，轉(zhuǎn)子極的數(shù)量也受伴隨定子結(jié)構(gòu)的機(jī)械極限所約束，因?yàn)槎ㄗ訙喜郾仨毰c轉(zhuǎn)子》茲體一致。這些機(jī)械約束和電磁約束共同限制對(duì)于給定的框架尺寸在定子中可形成的溝槽的數(shù)量。可設(shè)定一些邊界，以便為提供銅與軟磁材料的合適平衡的給定定子框架確定溝槽數(shù)量的上限。可將平衡的調(diào)節(jié)用作在形成性能良好的軸向空隙式電機(jī)中的參數(shù)。因此，本電機(jī)的優(yōu)選實(shí)施例通常具有通常用于可比較物理尺寸的現(xiàn)有工業(yè)電機(jī)的大約4倍或5倍的極數(shù)。作為實(shí)例，對(duì)于具有6才及至8^l的典型工業(yè)電動(dòng)^L，對(duì)于處于大約800至3600rpm的速度的電動(dòng)機(jī)，交變頻率為大約100至400Hz。此外，在工業(yè)中可用的是大于大約16極的高極數(shù)，但低于1000rpm的速度，其仍對(duì)應(yīng)于低于300Hz的頻率?？蛇x的是，也可獲得具有Cf氐于大約6極的)較低極數(shù)、并且具有高達(dá)3000rpm的速度的電動(dòng)機(jī)，其仍具有低于大約400Hz的交變頻率。在不同的實(shí)施例中，本發(fā)明l是供的電機(jī)例如為處于1000Hz時(shí)，96極、1250rpm;處于1080Hz時(shí)，54極、3600rpm;處于1000Hz時(shí)，4極、30000rpm;和處于1000Hz時(shí)，2極、60000rpm。因此，當(dāng)與"標(biāo)準(zhǔn)"電動(dòng)機(jī)相比較時(shí)，本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)提供高4或5倍的頻率。在相同的速度范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)比工業(yè)中典型的電動(dòng)機(jī)更高效，并且因此提供較大的速度選擇。每極每相槽數(shù)比電機(jī)的每極每相槽數(shù)(SPP)通過(guò)定子槽的數(shù)量除以定子繞組中的相數(shù)和DC極的數(shù)量而確定(SPP-溝槽/相/極)。在本說(shuō)明書和SPP值的計(jì)算中，極指的是不隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)，在此還稱為DC場(chǎng)，其與改變的^f茲場(chǎng)相互作用，即隨時(shí)間和位置在幅度和方向上變化的場(chǎng)。在優(yōu)選實(shí)施例中，安裝在轉(zhuǎn)子上的永》茲體提供DC場(chǎng)，因此不隨時(shí)間改變的磁極的數(shù)量在此稱作DC極。在其它實(shí)施例中，DC電磁體可提供轉(zhuǎn)子DC場(chǎng)。定子繞組的電磁體提供改變的磁場(chǎng)，即隨時(shí)間和位置改變的磁場(chǎng)。溝槽指的是本電機(jī)的定子的交變齒之間的間隔。極數(shù)是各定子齒在轉(zhuǎn)子的每轉(zhuǎn)期間遇到的極對(duì)數(shù)的兩倍。傳統(tǒng)的電機(jī)常常設(shè)計(jì)成具有1至3的SPP比，以獲得可接受的功能性和噪聲水平，并且由于較好的繞組分布而提供較平穩(wěn)的輸出。1或以上的SPP比固有地需要分布式匝數(shù)。然而，尋求具有分?jǐn)?shù)的SPP值、例如0.5的設(shè)計(jì)，以減小端匝的影響。端匝是定子線圈中的電線的連接溝槽之間的繞組的部分。盡管當(dāng)然需要這種連接，但端匝無(wú)助于電機(jī)的扭矩和功率的輸出，而且在不提供益處的同時(shí)仍增加必需的布線的總量和長(zhǎng)度并且造成電阻損耗。傳統(tǒng)構(gòu)造中的低SPP值還趨向于升高功率電子裝置脈動(dòng)的水平和伴隨的有害的扭矩變化。因此，機(jī)械設(shè)計(jì)者的一個(gè)目標(biāo)是使端匝最少，同時(shí)仍提供具有可控制的噪聲和齒槽扭矩以及低的功率電子裝置脈動(dòng)的電機(jī)。隨地增加，以便能將噪聲和磁阻保持在可接受的水平。因此，本電機(jī)優(yōu)選地實(shí)現(xiàn)為具有從大約0.25至4.0的SPP比。例如，四相構(gòu)造可具有48溝槽和36^1，導(dǎo)致SPP-0.33，而三相實(shí)施例可具有用于SPP=0.25的48溝槽和64極。在不同的代表性實(shí)施例中，SPP比為0.25、0.33、0.5、0.75、l.O或大于l.O。更優(yōu)選地，SPP比從大約0.25至1。在更加優(yōu)選的實(shí)施例中，SPP比為0.5。多個(gè)溝槽布線成公共磁路的實(shí)施例具有大于0.5的SPP。這是由于定子槽的數(shù)量大于轉(zhuǎn)子極的結(jié)果，從而產(chǎn)生分布式繞組。另一方面，小于或等于0.5的SPP值表示不存在分布式繞組。工業(yè)中的慣例是在定子中包括分布式繞組。但是，分布式繞組將提高SPP值，并降低頻率。在某些實(shí)施例中，具有分?jǐn)?shù)SPP比和非分布式繞組的電機(jī)有益地采用模塊化線圈。如在此所使用的，術(shù)語(yǔ)"分布式繞組"表示繞組圍繞多個(gè)齒而不是單個(gè)齒的定子線圈，如在上文中所說(shuō)明的?？蛇x擇性地用于本電機(jī)的模塊化線圏可預(yù)形成，然后在不成漸縮形的單個(gè)齒分段上滑動(dòng)。盡管三相的Y形連接構(gòu)造是工業(yè)慣例，但也預(yù)想三角形連接。本電機(jī)還可采用以疊置構(gòu)造進(jìn)行設(shè)置的繞組，如在共同擁有的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)10/979,336中所公開的。然而，本領(lǐng)域中已知的任何繞組布置是可應(yīng)用的。繞組可圍繞齒形成在適當(dāng)?shù)奈恢?，或者它們可單?dú)地制備成組件并在齒端上滑動(dòng)。此外，在其中設(shè)置電機(jī)的較高極數(shù)的情況下，并且在0.5或以下的SPP比的情況下，可將轉(zhuǎn)子的石茲體(通常和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu))制造得較薄和壽交便宜。布線/繞組設(shè)計(jì)中的靈活性本裝置的優(yōu)選實(shí)現(xiàn)有利地允許廠家利用不同的繞組構(gòu)造。因?yàn)樯衔年P(guān)注利用1.0至3.0的SPP比，這需要將繞組分布在多個(gè)溝槽上，所以傳統(tǒng)的定子設(shè)計(jì)限制繞組設(shè)計(jì)選擇。在分布式繞組的情況下變得難于具有多于兩個(gè)或三個(gè)的繞組選擇。本發(fā)明提供利用SPP^.5的設(shè)計(jì)的能力，其中每定子齒通常只存在一個(gè)離散線圈。但是本發(fā)明不排除SPP二0.5的其它布置。單個(gè)的齒線圏可容易地更改并重新連接，以提供給定應(yīng)用所需要的任何電壓。因此，單組的電動(dòng)機(jī)硬件可簡(jiǎn)單地通過(guò)改變線圏而提供寬范圍的解決方案。通常，線圈是電磁電路中容易更改的構(gòu)件。30因此，假定在本發(fā)明的裝置中SPP比接近0.5，則關(guān)于定子繞組構(gòu)造存在明顯的靈活性。例如，廠家可相互獨(dú)立地纏繞各定子，或者廠家可在相同的定子內(nèi)提供單獨(dú)的定子繞組。這種能力是具有等于0.5的SPP的系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一。盡管偶爾存在采用SPP=0.5的工業(yè)系統(tǒng)，但它們不普遍并且只在適當(dāng)?shù)膽?yīng)用中獲得成功。本發(fā)明成功地提供SPP=0.5的系統(tǒng)，其允許這種在繞組中的靈活性。熱特性和效率消散足夠廢熱的能力是限制實(shí)際上每個(gè)電機(jī)的輸出率的因素。無(wú)論使用什么軟磁材料，廢熱來(lái)自許多源，但主要地來(lái)自繞組中的電阻損耗、集膚效應(yīng)損耗和鄰近效應(yīng)損耗、來(lái)自磁體和其它轉(zhuǎn)子構(gòu)件的渦流的轉(zhuǎn)子損^^、和來(lái)自定子芯的鐵損。由于廢熱隨轉(zhuǎn)速而增加，所以傳統(tǒng)電機(jī)的"持續(xù)功率限度"由如下的最大速度決定，在該最大速度處，電機(jī)可連續(xù)操作同時(shí)仍然消散足夠的廢熱以防止不可接受的溫升。因?yàn)殡娮?焦耳)損耗，所以持續(xù)功率限度也是電流的函數(shù)。除了在某些超高速電動(dòng)機(jī)中之外，風(fēng)阻損耗通常是可忽視的。在此的計(jì)算包括利用傳統(tǒng)的教科書公式對(duì)總損耗作出的風(fēng)阻校正。常常利用對(duì)被認(rèn)為可允許連續(xù)運(yùn)行的每單位有效表面積的熱消散率的預(yù)選固定限制的約束進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)。取決于排熱的精確模式，適用不同的值。最低要求的電機(jī)設(shè)計(jì)包括敞開式框架，通常利用安裝在裝置的軸上的風(fēng)扇通過(guò)該敞開式框架使環(huán)境空氣循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)流熱排除。其中只有外部裝置表面可用來(lái)散發(fā)熱的封閉式框架空氣冷卻設(shè)計(jì)一定呈現(xiàn)較低的散熱。更苛求的應(yīng)用、尤其對(duì)于高速電動(dòng)機(jī)可依賴于改善排除率的更先進(jìn)的技術(shù)，包括循環(huán)液、相變冷卻、熱管或其它類似裝置。通過(guò)增加可允許的散熱，可提高給定電機(jī)設(shè)計(jì)的表觀功率和額定扭矩。在最優(yōu)地可應(yīng)用于本發(fā)明的實(shí)踐中的高頻率、高極數(shù)電氣裝置中，因?yàn)槎ㄗ有镜姆蔷B(tài)的、納米的和優(yōu)化的Fe基的金屬合金具有比傳統(tǒng)Si-Fe低的損耗，所以產(chǎn)生較少的廢熱。早先使用改善的軟》茲材料的努力在不改變基本的電機(jī)構(gòu)造的情況下通常只包括直接替換，其中可能具有提高的運(yùn)行頻率。然而，已發(fā)現(xiàn)的是，設(shè)計(jì)者通過(guò)增加頻率、速度和功率、然后進(jìn)一步通過(guò)恰當(dāng)?shù)仄胶夂?交換"低鐵損與歐姆損耗，可有益地開拓這些材料的低損耗特征?？傊瑢?duì)于與傳統(tǒng)電機(jī)相同的功率，最優(yōu)地可應(yīng)用于本發(fā)明中的高頻、高極數(shù)電氣裝置具有較低的損耗，并因此具有較高的扭矩和速度，從而可獲得比傳統(tǒng)電機(jī)高的連續(xù)速度極限。傳統(tǒng)地，裝置效率限定為有效功率輸出除以功率輸入。本電機(jī)的優(yōu)選實(shí)現(xiàn)具有高的功率效率。它們超過(guò)400Hz的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)高頻限度，在此以前如果有任何實(shí)際應(yīng)用的話，也只有少數(shù)超過(guò)了該限度。本電機(jī)的某些優(yōu)選實(shí)施例采用高的極數(shù)和溝槽數(shù)，并且以比傳統(tǒng)^_用的400Hz的最大值高的同步頻率運(yùn)行。這些高的頻率通常預(yù)期將總的轉(zhuǎn)子損耗增加到不可接受的值。令人驚訝和意外的是，本設(shè)計(jì)提供比傳統(tǒng)電機(jī)中使用的薄得多的轉(zhuǎn)子磁體。在不受任何理論束縛的情況下，要相信的是，可通過(guò)兩個(gè)因素使磁體厚度減小。第一，低損耗定子材料的使用允許極數(shù)增加，從而減小各極磁體的橫向尺寸。因此可減小各磁體的厚度，同時(shí)仍保持大致恒定的縱橫比(即厚度與等同橫向尺寸的比)。減小的厚度又導(dǎo)致較低的總磁體體積，從而減小磁體損耗和材料成本。第二，為了保持定子面的銅比接近常數(shù)，高溝槽數(shù)的電機(jī)設(shè)置有比低溝槽數(shù)的電機(jī)狹窄的溝槽。在轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)期間，這些窄的溝槽比寬的溝槽給予轉(zhuǎn)子更小的電路,茲導(dǎo)的周期性變化。這兩個(gè)因素有助于減小轉(zhuǎn)子的通量微擾。較低的轉(zhuǎn)子通量樹:擾又導(dǎo)致較低的轉(zhuǎn)子渦流損耗。由于這些實(shí)施例所利用的薄磁體，所以所需的總磁體質(zhì)量顯著低于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中所使用的質(zhì)量。通常在每單位物質(zhì)的基礎(chǔ)上，永;茲體是電機(jī)最昂貴的構(gòu)件。有利的是，以高于傳統(tǒng)使用的400Hz的最大值的同步頻率運(yùn)行的電機(jī)的高的極數(shù)和溝槽數(shù)的使用，明顯減小電^L的總體尺寸和成本；并且顯著改善其效率。但是，可應(yīng)用于本發(fā)明的優(yōu)選高頻、高極數(shù)的電氣裝置的性能和提高的效率不簡(jiǎn)單地是利用非晶態(tài)金屬替代傳統(tǒng)的Si-Fe的固有結(jié)果。已提出許多具有非晶態(tài)金屬的設(shè)計(jì)，但都遭受性能失效(包括過(guò)熱和較低的輸出功率)。該失效的發(fā)生被認(rèn)為大部分是由于僅僅應(yīng)用新的材料(例如非晶態(tài)金屬)和基于傳統(tǒng)材料(按重量計(jì)算包含3.5%或以下的Si的Si-Fe)的特性設(shè)計(jì)的電機(jī)的生產(chǎn)方法。與將非晶態(tài)金屬加工到電動(dòng)機(jī)中的可察覺成本相結(jié)合的早期性能失效導(dǎo)致工業(yè)拋棄該研究工作。目前優(yōu)選的電氣裝置通過(guò)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的設(shè)計(jì)克服了現(xiàn)有技術(shù)的性能失效，該旋轉(zhuǎn)電機(jī)的設(shè)計(jì)合適地充分利用非晶態(tài)金屬合金、納米晶體金屬合金或優(yōu)化的Fe基金屬合金的有益特性。在本發(fā)明的方面中還提出的是與各種改善材料的物理和機(jī)械特性相兼容的構(gòu)造方法。本電機(jī)的優(yōu)選實(shí)現(xiàn)具有的有利特性包括在大于400Hz的交變頻率下的可操作性以及高極數(shù)、高效率和高功率密度。盡管其它傳統(tǒng)方法能夠提供只具有四種特性中至多兩種特性的組合的電動(dòng)機(jī)，但本發(fā)明提供同時(shí)具有所有四種特性的電動(dòng)機(jī)。理想的方形扭矩速度曲線在本發(fā)明的方面中，提供一種電氣裝置，其以比傳統(tǒng)電機(jī)更方形的扭矩速度曲線進(jìn)行操作。任何電機(jī)的速度與扭矩能力可圖形地描繪成扭矩速度平面的容許區(qū)域中的區(qū)域。理想的電機(jī)可以以高達(dá)扭矩和速度的某些極限值的扭矩和速度的任何組合運(yùn)行。具有這種能力的電機(jī)被說(shuō)成具有矩形的扭矩速度曲線。換句話說(shuō)，在可獲得高達(dá)最高定額速度的全部額定扭矩的情況下，電機(jī)可以以高達(dá)扭矩和速度的容許極限的扭矩和速度的任何組合運(yùn)行。由于在扭矩速度平面中限定裝置運(yùn)行范圍的最大的扭矩和速度的線大致垂直地相交，所以矩形扭矩速度曲線有時(shí)被稱為方形扭矩速度曲線。圖5A示出理想的矩形扭矩速度曲線的近似。作為情形1,它包括根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的扭矩速度曲線，其中速度繪制在水平軸線上，而扭矩繪制在垂直軸線上。選擇用于兩個(gè)電機(jī)的極數(shù)為8,但作為比較手段可選擇任何極數(shù)。實(shí)際上，用于傳統(tǒng)電機(jī)的矩形扭矩速度曲線明顯受限制。超過(guò)某一較低的速度，由于受對(duì)總產(chǎn)熱的電阻貢獻(xiàn)的支配地位的限制，可用的扭矩(垂直軸線)迅速降低。此外，速度(水平軸線)由隨著頻率的增加而增加的定子芯所限制，如先前所討論的。在圖5A中示意性示出該特性。相反，盡管本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)提供相似的扭矩，但其速度范圍因?yàn)槠涞偷枚嗟念l率相關(guān)損耗而大大擴(kuò)展。因此，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)由于它們可為高速度范圍提供低扭矩(低功率)、或者為低速度范圍提供高扭矩而受限。本發(fā)明成功地提供一種可實(shí)現(xiàn)兩者的電動(dòng)機(jī)，即提供高扭矩和高速度能力。圖5B示出情形2，其進(jìn)一步描繪了重新設(shè)計(jì)成具有36極的本發(fā)明的優(yōu)選電機(jī)的特性。鐵損允許電機(jī)獲得類似于傳統(tǒng)電機(jī)的速度限制。但是，由于EMF產(chǎn)生的高頻，所以對(duì)于給定扭矩的對(duì)應(yīng)電阻損耗在本發(fā)明中比在傳統(tǒng)電機(jī)中低得多，從而允許本發(fā)明在不超過(guò)熱限制的情況下增加電動(dòng)機(jī)扭矩。因此，由于開拓低損耗材料的特性，所以本電機(jī)的優(yōu)選實(shí)現(xiàn)以令人驚訝和意外的方式優(yōu)于傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)，改善的性能和擴(kuò)展的速度與扭矩范圍的結(jié)合在沒有新奇的磁性材料與相稱設(shè)計(jì)的電機(jī)構(gòu)造的結(jié)合的情況下、不可能利用現(xiàn)有裝置的任何優(yōu)化而實(shí)現(xiàn)。更具體地，與傳統(tǒng)裝置相比較，本發(fā)明的電氣裝置提供在曲線下方具有明顯增加的面積量的扭矩速度曲線。在曲線下方增加的面積表示現(xiàn)在針對(duì)給定的設(shè)計(jì)可達(dá)到的寬得多的應(yīng)用范圍。已知功率隨速度線性增加。通過(guò)本發(fā)明提供的增加的裝置速度和恒定的扭矩，在不超過(guò)容許的熱限制的情況下，裝置具有較大的功率密度，即對(duì)于固定尺寸具有更高的功率。在以上提出的情形1和2中，本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)優(yōu)于傳統(tǒng)的電動(dòng)才幾?，F(xiàn)代技術(shù)中的許多應(yīng)用、包括這種廣泛不同的領(lǐng)域、諸如高速機(jī)床、壓縮電動(dòng)機(jī)、航空電動(dòng)機(jī)和致動(dòng)器、以及在計(jì)算機(jī)和其它微電子裝置中用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的磁盤驅(qū)動(dòng)器或光盤驅(qū)動(dòng)器的主軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)都需要電動(dòng)機(jī)可以以常常超過(guò)15,000-20,000rpm、并且有時(shí)達(dá)到100，000rpm的高速運(yùn)行。總諧波失真本電機(jī)的優(yōu)選實(shí)施例的另一優(yōu)點(diǎn)是獲得的干凈的正弦反電勢(shì)(EMF)曲線。這種曲線的特征在于低的總諧波失真(THD)的值。高的THD是不合需要的，其表現(xiàn)附加的且非生產(chǎn)的電流，這又產(chǎn)生附加熱。優(yōu)選的設(shè)計(jì)給予小于5。/。的THD值。更優(yōu)選的是THD值小于大約1%。重要的是，某些管理機(jī)構(gòu)將只證實(shí)具有低于所需閥值的THD值的裝置。例如，必須滿足確定的THD值以獲得歐洲CE標(biāo)志。0.5的SPP比趨向于產(chǎn)生更正弦的反電勢(shì)，其輸出可通過(guò)電子裝置進(jìn)一步改善。先進(jìn)的低損耗材料的使用使得優(yōu)選的SPP=0.5的構(gòu)造成為可能，由此容易地獲得所期望的低的THD值。優(yōu)選的設(shè)計(jì)方法方法。在此的設(shè)計(jì)方法如下識(shí)別，該識(shí)別基于通過(guò)關(guān)4建設(shè)計(jì)方程的適當(dāng)分析可將電機(jī)限定有較少的參數(shù)。通過(guò)為電機(jī)指定盡可能少的參數(shù)，可使某些變量最大化，并且可在給定的速度處優(yōu)化電機(jī)。圖12的方法允許在給定的速度處具有優(yōu)化的扭矩，并且因此具有優(yōu)化功率的軸向空隙式電機(jī)的設(shè)計(jì)。應(yīng)認(rèn)識(shí)到的是，可比較的設(shè)計(jì)方法適用于其它電機(jī)構(gòu)造。為了設(shè)計(jì)這種電機(jī)，首先必須將電機(jī)簡(jiǎn)化為通過(guò)盡可能少的參數(shù)表示電機(jī)扭矩的單個(gè)方程。在本方法中，已經(jīng)確定的是，軸向空隙式電機(jī)的扭矩可根據(jù)以下方程表示35r=丄._]'.27(—;i.D';r+h-t+x't)'L.pf-D.(-D-;r-D.;r'/l2+2-;i.D-;r-2'h-t+2.h.t.;i)'B其中，Wt-電機(jī)的輸出扭矩(N'M);j-電流密度(A/mm2);-D-定子的外徑(mm);1^在內(nèi)徑處的核心點(diǎn)齒寬(mm);t-每定子的總溝槽；x-定子中從絕緣開始的總廢槽寬(mm);pf-作為溝槽填充的百分?jǐn)?shù)的填充系數(shù)；L-線圏的軸向長(zhǎng)度(mm);B-峰值磁通量密度(T);人=內(nèi)定子直徑/外定子直徑比。在圖13中還以圖形形式參考以上變量中的若干變量。如從以上方程觀察到的，存在至少9個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。然而，當(dāng)處理設(shè)計(jì)的任何情形時(shí)，至少通過(guò)實(shí)際考慮稍微約束這些變量中的許多變量。例如，在以上方程中，假定基于設(shè)計(jì)的電機(jī)的種類，則j、x、pf、L和B確實(shí)不會(huì)變化。這使僅僅人、D、h和t為自由參數(shù)。如以下討論的，然后取決于設(shè)計(jì)靈活性，設(shè)計(jì)者選擇D和t值。這剩下用于扭矩t的只取決于h和X的方程。這種方程的圖形將產(chǎn)生諸如圖14所示的表面圖。通過(guò)針對(duì)X對(duì)扭矩方程進(jìn)行微分并設(shè)定得到的方程等于零，設(shè)計(jì)者可求出為所有給定輸入提供最優(yōu)扭矩的X的值。當(dāng)然，該解答只有在滿足0〈AX1的內(nèi)在幾何約束時(shí)有效。以上設(shè)計(jì)方法通過(guò)圖12所示的流程圖總結(jié)。電機(jī)的設(shè)計(jì)者假定具有由先進(jìn)的低損耗材料構(gòu)成的定子的軸向空隙式電機(jī)，然后選擇高端速度。接下來(lái)，選擇電機(jī)的期望的同步頻率、諸如在大約800-1200的范圍內(nèi)的頻率、例如1000Hz頻率，根據(jù)方程f=N*P/2計(jì)算極數(shù)，其中N是期望的高端速度，而P是極數(shù)。然后，利用計(jì)算出的極數(shù)并假定SPP=0.5，如在上文中討論為優(yōu)選的，可計(jì)算出定子槽的數(shù)量。36取決于期望的應(yīng)用和限制，選擇電機(jī)的外徑。這只剩下根據(jù)以上提供的扭矩方程確定h和人。然后針對(duì)人對(duì)扭矩方程進(jìn)行-微分，并且將得到的方程設(shè)定為等于零。然后針對(duì)X求解該方程。產(chǎn)生在0與1之間的X的解答將為所有給定輸入提供最優(yōu)扭矩。如果需要，可反復(fù)應(yīng)用前述過(guò)程。如上所述，以上設(shè)計(jì)方法利用先進(jìn)的低損耗材料提供高效和高功率的高速電氣裝置的優(yōu)選實(shí)施例。當(dāng)然，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，設(shè)想優(yōu)選實(shí)施例之外的其它實(shí)施例和設(shè)計(jì)。功率和扭矩密度在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種電機(jī)，其具有基于體積或質(zhì)量基礎(chǔ)測(cè)量的高的功率和扭矩密度。也就是說(shuō)，電機(jī)具有高的可用扭矩和可用功率的值以及低的每單位有效質(zhì)量和有效體積的廢熱的值。為了比較，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的術(shù)語(yǔ)"有效材料"在此理解為包括為了產(chǎn)生扭矩而承載電流或^f茲通量的所有材料，例如在轉(zhuǎn)子和定子中使用的軟磁材料和硬磁性材料以及包括其絕緣的導(dǎo)線(通常為銅或鋁)。術(shù)語(yǔ)"有效質(zhì)量，，理解為電機(jī)中的有效材料的總質(zhì)量。旋轉(zhuǎn)電機(jī)的術(shù)語(yǔ)"有效體積"和"有效面積"分別理解為表示直圓柱體的體積和外表面積，該直圓柱體具有由電機(jī)中有效材料的最外面的直徑范圍和長(zhǎng)度范圍限定的直徑和長(zhǎng)度。因此，有效體積和有效面積不包括電機(jī)的外殼和諸如散熱片的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有電機(jī)常常結(jié)合這種結(jié)構(gòu)以使傳熱最大，尤其在排熱特別成問(wèn)題的封閉式框架中。在實(shí)際的電機(jī)設(shè)計(jì)中與這些部分相關(guān)的面積和體積的量改變很大。將它們排除在外是允許不被明顯但虛假的優(yōu)點(diǎn)所歪曲的公平比較，該優(yōu)點(diǎn)不反映由本電機(jī)提供的效率的基本改善。如上所提出的，電機(jī)的設(shè)計(jì)需要選擇大量的尺寸參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)以及合適的^茲性材料。因此，通過(guò)參考基于正規(guī)化;^5出、例如每單位質(zhì)量、體積或表面積的重要定量參數(shù)、諸如可用功率和可用扭矩以及廢熱輸出，便于不同設(shè)計(jì)之間的性能比較。這種比較幫助避免把設(shè)計(jì)看作具有明顯但虛假的優(yōu)點(diǎn)，所述明顯但虛假的優(yōu)點(diǎn)不是由于實(shí)際改善而產(chǎn)生，而是由于不適當(dāng)?shù)谋容^而產(chǎn)生。例如，保守設(shè)計(jì)的尺寸過(guò)大的單元的效率可能顯得大于較小參考設(shè)計(jì)的效率。另外，額外的尺寸總是增加成本，尤其因?yàn)榇判圆牧铣３Ｊ请姍C(jī)最昂貴的構(gòu)成。有根據(jù)的是，比較還必須包括用于相同工作循環(huán)的電機(jī)。眾所周知的是，在相同的條件下，給定的電機(jī)對(duì)于短的持續(xù)時(shí)間或在間歇工作方式中比對(duì)于延長(zhǎng)的或連續(xù)的運(yùn)行產(chǎn)生高得多的輸出。使只設(shè)計(jì)用于短工作循環(huán)的電機(jī)在負(fù)載下運(yùn)行延長(zhǎng)周期幾乎肯定縮短其有效壽命，并且很可能使其過(guò)熱或立即燒掉。如在電機(jī)領(lǐng)域中通常的，可通過(guò)使電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行、尤其是通過(guò)使電機(jī)軸連接到產(chǎn)生扭矩的原動(dòng)機(jī)和使各相繞組連接到純電阻性電力負(fù)載來(lái)確定永;茲電機(jī)的損耗。損耗通過(guò)從機(jī)械功率輸入(2兀tN/60,其中以rpm為單位測(cè)量N)減去由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的有效功率(電阻性負(fù)載中的總的^R消散)確定。該特性允許與電動(dòng)模式中電機(jī)的測(cè)試和運(yùn)行所需的特定的功率電子裝置的性能分開地研究電機(jī)本身的性能。必須排出熱量以防止過(guò)熱的電力裝備和電子裝備的設(shè)計(jì)常常以每單位表面積的可行排熱率的假定值為前提。通常，必須消散足夠的熱以防止電機(jī)中過(guò)度的內(nèi)部溫升。必須限制溫升以防止電絕緣的擊穿、不可逆轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁化損耗和其它嚴(yán)重后果。例如，經(jīng)驗(yàn)表明各種電力構(gòu)件和電子構(gòu)件的表面在靜止的室內(nèi)空氣中在溫度上升高不超過(guò)IO(TC的情況下可連續(xù)地消散大約0.2W/cm2。構(gòu)件利用流動(dòng)空氣或液體的強(qiáng)制冷卻允許較高的限度，正如更多的先進(jìn)裝置，諸如熱管。在電機(jī)的設(shè)計(jì)中，0.4W/cm2的連續(xù)消散常常被認(rèn)為需要例如利用具有吹風(fēng)機(jī)的敞開式框架設(shè)計(jì)的強(qiáng)制空氣冷卻，而0.6W/cn^可能需要液體冷卻。在各種實(shí)現(xiàn)中，本裝置提供高的功率密度和扭矩密度，同時(shí)保持高的效率和允許在連續(xù)運(yùn)行期間排出廢熱的足夠低的損耗。尤其地，在適于敞開式和封閉式框架的空氣冷卻裝置、以及提供較高的傳熱的裝置的不同實(shí)施例中，例如可通過(guò)液體冷卻、熱管、相變介質(zhì)等排出廢熱。例如，一種實(shí)現(xiàn)提供一種電機(jī)，其具有至少大約2.5N，m/kg的扭矩密度和至多大約0.2W/cm2的損耗密度，在作為連接到電阻性負(fù)載并且處于以至少大約500Hz的頻率提供電力輸出的旋轉(zhuǎn)速度的發(fā)電機(jī)的電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行期間，測(cè)量所述值。在另一實(shí)現(xiàn)中，電機(jī)在連續(xù)750Hz的運(yùn)行期間提供至少大約3.4N.m/kg的扭矩密度和至多大約0.4W/cm2的損耗密度。又一電機(jī)在連續(xù)1000Hz的運(yùn)行期間提供至少大約3.8N'm/kg的扭矩密度和至多大約0.6W/cm2的損耗密度。更優(yōu)選地，至多大約0.4W/cn^的損耗密度。最優(yōu)選地，電機(jī)在連續(xù)1000Hz的運(yùn)行期間提供至少大約8.0N'm/kg的扭矩密度和至多大約0.6W/cn^的損耗密度。提出以下實(shí)例，以提供本發(fā)明更完整的理解。用于說(shuō)明本發(fā)明的原理和實(shí)踐的具體技術(shù)、條件、材料、比例和報(bào)告數(shù)據(jù)是示意性地，并且不應(yīng)解釋成限制本發(fā)明的范圍。實(shí)例比專交實(shí)例1-2和實(shí)例1-3電機(jī)的構(gòu)造和特性以下的表II提出現(xiàn)有技術(shù)的某些電機(jī)和根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)的特性。比較實(shí)例1-2分別是如由IEEEIAS(2002年7月2日)的Gieras等公布的10kW、750rpm無(wú)鐵芯盤式永磁無(wú)刷電機(jī)和具有傳統(tǒng)的定子芯和轉(zhuǎn)子芯的10kW、750rpm等同物。實(shí)例1-3是本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)的實(shí)施例。表n設(shè)計(jì)參數(shù)和性能的比較<table>tableseeoriginaldocumentpage40</column></row><table>傳統(tǒng)的鐵芯電動(dòng)機(jī)(由Gieras等提供的數(shù)據(jù))Gieras等的無(wú)鐵芯的盤式設(shè)計(jì)來(lái)自Gieras等的被校正以排除軸質(zhì)量的有效材料質(zhì)量數(shù)據(jù)'基于分別對(duì)于由Gieras等提供的FeNdB永磁體、銅繞組和傳統(tǒng)軟》茲材料的每公斤$65、5.50和1.25的成本、以及在實(shí)例1-3中使用的先進(jìn)軟磁材料的每公斤$5.50的成本的有效材料成本如表II所示，根據(jù)在此公開的原理設(shè)計(jì)的實(shí)例l-3在電動(dòng)模式中提供相等或較大的功率、相同的速度、相等或較大的扭矩、大致相同的效率、和較大的電流密度(由于較低的鐵損)。令人驚訝的是，本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)也使用總體上比Gieras等的電動(dòng)機(jī)或傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)少的永磁材料和實(shí)際上少的有效材料。表II還示出在利用合適的功率電子裝置的電動(dòng)模式中，本發(fā)明提供一種電機(jī)，其在相似的熱額定的情況下與Gieras等的電機(jī)相比具有相等或較好的每公斤有效材料的扭矩，并且不太昂貴和以高得多的頻率(乘以2或以上的因數(shù))運(yùn)行。這通過(guò)開拓用于這些實(shí)施例的非晶態(tài)金屬的有利特性而實(shí)現(xiàn)。比較實(shí)例3-6和實(shí)例4-5電機(jī)的構(gòu)造和特性表III提供本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)(實(shí)例4-5)的設(shè)計(jì)參數(shù)和性能與比較實(shí)例3-6的設(shè)計(jì)參數(shù)和性能的比較，所述比較實(shí)例分別為由IEEEIAS(2002年7月2日)，Qu等^^布的雙轉(zhuǎn)子徑向通量環(huán)形纏繞的7lcF茲電機(jī)(RFTPM)、商業(yè)感應(yīng)電機(jī)(IM)、內(nèi)置式7JC磁電機(jī)(IPM)和軸向通量環(huán)形纏繞的7Jc磁電機(jī)(AFTPM)。實(shí)例4和5以510Hz的頻率運(yùn)行。表用合適的功率電子裝置的電動(dòng)模式的運(yùn)行提供較高的效率。表in設(shè)計(jì)參數(shù)和性能的比較<table>tableseeoriginaldocumentpage41</column></row><table>重量kg35.4485.511.765.57.8扭矩密度N-m/kg0.340.420.551.002.551.79扭矩密度N'm/cm30.00150週90還40.00430.00940.0074效率%82.5%88.0%83.0%87.1%86.6%90.4%損耗w475505180329402276有效表面cm2244228847121184789931損耗密度W/cm20.190.170.250,280.510.30lGEModel#5K182BC218A電動(dòng)機(jī)，由Qu等提供數(shù)據(jù)'排除用于風(fēng)扇和散熱器的空間YasakawaElectric公司的電動(dòng)機(jī)，由Qu等提供數(shù)據(jù)1由FedericoCaricchi設(shè)計(jì)，由Qu等提供數(shù)據(jù):由Qu等設(shè)計(jì)的徑向通量環(huán)形纏繞的永磁電機(jī)實(shí)例6本發(fā)明的電機(jī)的構(gòu)造和特性根據(jù)上述概念設(shè)計(jì)三相軸向空隙式電動(dòng)機(jī)(實(shí)例6)。電動(dòng)機(jī)的;茲性定子芯由Metglas⑧合金2605SA1形成，并開槽有54個(gè)等距分開的齒。定子繞組是單層在室溫下具有大約0.011Q電阻的線圈的26±1圈。轉(zhuǎn)子組件利用36個(gè)轉(zhuǎn)子-茲體構(gòu)造，所述轉(zhuǎn)子石茲體由具有大于36MGOe的最大能積和大于21kOe的固有矯頑f茲場(chǎng)的稀土硼4失磁體合金構(gòu)成。;茲體在尺寸上為大約65xl4x8mm，并且沿8mm的尺寸磁化。它們?cè)谵D(zhuǎn)子板中布置有交變極性。在以下的表IV中提出在利用合適的功率電子裝置的電動(dòng)模式中運(yùn)行的該電動(dòng)機(jī)的代表性特性。表IV本發(fā)明的電機(jī)的示意性性能特性單位逆變器Vrms線320實(shí)際輸出功率kW80.9軸扭矩N.m21442<table>tableseeoriginaldocumentpage43</column></row><table>實(shí)例6的電機(jī)如果在電動(dòng)模式中運(yùn)行，則具有例如高的輸出扭矩密度、高的電效率和磁性材料的有效使用的特征的有利組合。比專支實(shí)例7傳統(tǒng)電機(jī)的構(gòu)造和特性根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)代表性的電機(jī)(比較實(shí)例7)。電機(jī)具有軸向隙、具有12極和18溝槽的3相構(gòu)造、對(duì)于360Hz激勵(lì)產(chǎn)生3600rpm的旋轉(zhuǎn)速度。電機(jī)的有效體積由定子的290mm外徑和150mm軸向長(zhǎng)度限定。使用的磁性材料是傳統(tǒng)的26規(guī)格M19SiFe、無(wú)晶粒取向的軟石茲性電工鋼和標(biāo)稱39MGOeFeNdB永磁體。在發(fā)電模式中比較實(shí)例7的電機(jī)的損耗通過(guò)如下方式確定將各相繞組連接到純電阻性負(fù)載，并且通過(guò)將從外部原動(dòng)機(jī)施加的扭矩以必要的旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸。在此自旋損耗(spinningloss)通過(guò)在電氣負(fù)載分離的情況下測(cè)量使軸以期望的速度旋轉(zhuǎn)所需的扭矩而確定。以下的表V提出對(duì)于以5000、7500、和10，000rpm的速度旋轉(zhuǎn)的比較實(shí)例7的電機(jī)以每單位有效面積的瓦特(W/cm勺為單位表示的自旋損耗密度，該速度對(duì)應(yīng)于各相中以500Hz、750Hz、和1000Hz的相輸出。表V比較實(shí)例7的自旋損耗密度旋轉(zhuǎn)速度(rpm)電頻率(Hz)自旋損耗密度(W/cm2)取整的自旋損耗密度(W/cm2)50005000.280.275007500.510.41000010000.770.6為了提供用于比較的基礎(chǔ)，將自旋損耗密度取整到表v最后一列所示的稍低的值，以考慮對(duì)用于電機(jī)構(gòu)造的優(yōu)化的任何可能。取整的值表示什么將在采用本領(lǐng)域中傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)磁性材料和構(gòu)造的電機(jī)設(shè)計(jì)中可合理地實(shí)現(xiàn)。例如，定子中利用Litz電線替換傳統(tǒng)的傳導(dǎo)性電線繞組可基本消除AC電阻損耗，并且可通過(guò)分段使轉(zhuǎn)子損耗最小。兩個(gè)假設(shè)表示理想的電機(jī)性能，因此已知如此應(yīng)用它們以理解任何實(shí)際運(yùn)行電機(jī)的實(shí)際損耗。因此，與取整損耗一起作出的比較呈現(xiàn)諸如比較實(shí)例7電機(jī)的電機(jī)特性，其甚至好于實(shí)際的實(shí)現(xiàn)。得到的0.2、0.4和0.6W/cn^的值還應(yīng)根據(jù)各種冷卻法普遍接受的44限度進(jìn)行觀察。尤其地，無(wú)外部強(qiáng)制空氣循環(huán)的封閉式框架電機(jī)通常可預(yù)期通過(guò)對(duì)流向周圍空氣連續(xù)散熱大約0.2W/cm2。在敞開式框架的電機(jī)中采用吹風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)或使冷卻液體循環(huán)的主動(dòng)冷卻技術(shù)通常被認(rèn)為能夠分別維持大約0.5和0.8W/cn^的散熱。實(shí)例7-13本發(fā)明的電機(jī)的設(shè)計(jì)和特征與比較實(shí)例7的電機(jī)一起，在以下的表VI中提出了根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的若干示意性電機(jī)。這些電機(jī)中的每個(gè)電機(jī)具有軸向空隙、具有在列5中示出的溝槽數(shù)和為0.5的SPP的3相構(gòu)造。同步頻率比在列2中列出。在列3和4中示出總有效材料半徑和軸向長(zhǎng)度。在各電機(jī)中使用的FeNdB》茲性材料具有標(biāo)稱的39MGOe的能積。比較實(shí)例7電機(jī)使用傳統(tǒng)的M19SiFe電動(dòng)機(jī)疊層結(jié)構(gòu)，然而實(shí)例7至13使用如在此說(shuō)明的先進(jìn)軟z磁材料。表VI<table>tableseeoriginaldocumentpage45</column></row><table>在無(wú)負(fù)載作用下如上所述地對(duì)本發(fā)明的電機(jī)的實(shí)例7-13測(cè)試自旋損耗密度(每單位有效材料面積的自旋損耗)。還示出用于與表V重復(fù)的比較實(shí)例7電機(jī)的比較值。當(dāng)這些電機(jī)中的任何電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，超出克服自旋損耗所需的電流產(chǎn)生可用的扭矩輸出。但是，該電流在定子繞組中產(chǎn)生附加的電阻損耗，產(chǎn)生必須排出的附加的熱。表VII還提出在這些電機(jī)的每個(gè)電機(jī)中可得到的扭矩密度的量的計(jì)算(每單位有效材料質(zhì)量的可用扭矩)，其針對(duì)與在500、750和1000Hz處的相位激勵(lì)相對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度，并且在三個(gè)相應(yīng)的頻率處不超過(guò)0.2、0.4和0.6W/cn^的閾值總損耗密度。這種總損耗密度包括在零輸出扭矩處的自旋損耗和來(lái)自提供該可用扭矩所需的額外電流的額外電阻損庫(kù)毛。對(duì)于比4交實(shí)例7，在500、750和1000Hz的任〗可激勵(lì)處不可得到可感知的扭矩，.因?yàn)樽孕龘p耗僅達(dá)到所選擇的閥值損耗密度。作為對(duì)比，本發(fā)明的實(shí)例7-13的電機(jī)在不超過(guò)指定損耗密度的情況下都提供一些可用的扭矩量。表VII自旋損耗和可用的扭矩密度<table>tableseeoriginaldocumentpage46</column></row><table>*無(wú)可用扭矩前述實(shí)例證實(shí)在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選電沖幾中的改善的損耗效率和在高速處的可感知的扭矩的可用性。另一方面，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和構(gòu)造的電機(jī)、即使通過(guò)可預(yù)知的優(yōu)化也不能以描繪成提供有效扭矩的高速方式運(yùn)行。也就是說(shuō)，傳統(tǒng)電機(jī)在不過(guò)熱到持續(xù)運(yùn)行不可能的程度的情況下不能提供前述的有益特性的組合。因此，通過(guò)根據(jù)在此描繪的方法設(shè)計(jì)的電機(jī)可滿足機(jī)電必要條件，該電機(jī)比在此以前可能的電機(jī)小、在功率消耗上高效、并且更加可靠。表vm對(duì)于500Hz激勵(lì)的自旋損耗和可用的扭矩密度實(shí)例自旋損耗密度(W/cm2)500Hz可用的扭矩密度(N'm/kg)0.6W/cm20.4W/cm20.2WW比4交實(shí)例70.372.30.9*70.043.73.42.680.045.14.43,290.056.05.13.5100.104.84.02.5110.066.96.75.1120.0510.18.66.1130.079.07.55.0*無(wú)可用-〖丑矩表VIII還描繪了比較實(shí)例7和實(shí)例7-13的電機(jī)的扭矩能力。在500Hz處各電機(jī)的自旋損耗密度與表VII重復(fù)。還提出對(duì)三種不同的容許散熱、即用于表VII的500Hz數(shù)據(jù)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的所有數(shù)據(jù)用于以與500Hz的同步電頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。通過(guò)允許較高的散熱，在各種情形下更大的電流可通過(guò)相繞組，從而增加可用扭矩。如上所述，比較實(shí)例7的電機(jī)只在500Hz處在自旋損耗密度中消散0.28W/cm2,因此在該消散水平不能提供有效扭矩。將限度放松到0.4或0.6W/cn^允許比較實(shí)例7裝置產(chǎn)生一些有效扭矩，但是基于每質(zhì)量比較基礎(chǔ)，可47用量仍遠(yuǎn)低于通過(guò)實(shí)例7-13中任一實(shí)例可得到的量。這樣已在相當(dāng)詳細(xì)地說(shuō)明了本發(fā)明，但要理解的是，在此表示為目前優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明的電氣裝置是示意性的并且不意圖限制本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將想到其中的變化和其它使用，這些都包括由權(quán)利要求的范圍所限定的本發(fā)明的精神內(nèi)。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易顯而易見的是，在不偏離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可對(duì)在此公開的本發(fā)明作出各種替換和變型。例如，盡管在此大體上說(shuō)明了軸向空隙式電機(jī)，但是根據(jù)在此公開的原理可設(shè)計(jì)其它類型的電機(jī)，諸如(i)徑向空隙式電機(jī)；(ii)徑向氣隙的橫向通量電機(jī)；和(iii)線性電機(jī)。此外，電機(jī)可包括除永磁電機(jī)以外的許多電機(jī)，諸如感應(yīng)電機(jī)、同步電機(jī)、同步磁阻電機(jī)、開關(guān)》茲阻電機(jī)和DC電磁電機(jī)。另外，其它類型的轉(zhuǎn)子和/或定子繞組方案都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。因此，這種附加實(shí)施例在本發(fā)明以及的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。雖然針對(duì)與構(gòu)件或限制相關(guān)的各種不同的可能數(shù)字或尺寸說(shuō)明了構(gòu)件和限制，但是在附加的實(shí)施例中，構(gòu)件或限制處于通過(guò)取得設(shè)置為范圍端點(diǎn)的特殊值中的任何兩個(gè)而指定的范圍中。除非另有相反地清楚指示，否則這種范圍包括端點(diǎn)。權(quán)利要求1.一種高效、高功率密度的永磁式電磁裝置，其包括(a)至少一個(gè)定子組件，其包括由低損耗軟磁材料形成并具有多個(gè)溝槽的磁芯，所述多個(gè)溝槽纏繞有適于連接到至少一個(gè)電氣相的定子繞組；和(b)至少一個(gè)磁場(chǎng)組件，其包括多個(gè)轉(zhuǎn)子極，所述磁場(chǎng)組件包括多個(gè)永磁體并且布置和設(shè)置成用于與所述至少一個(gè)定子組件發(fā)生磁相互作用；其中，所述裝置的扭矩密度至少為大約2.5N·m/kg，并且所述裝置的損耗密度至多為大約0.2W/cm2，在所述裝置作為連接到電阻性負(fù)載并處于以至少大約500Hz的頻率提供電力輸出的旋轉(zhuǎn)速度的發(fā)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行期間，測(cè)量所述扭矩密度和所述損耗密度的值。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述扭矩密度至少為大約3.4N'm/kg，并且所述損耗密度至多為大約0.4W/cm2，在所述裝置作為連接到電阻性負(fù)載并處于以至少大約750Hz的頻率4是供電力輸出的旋轉(zhuǎn)速度的發(fā)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行期間,測(cè)量所述扭矩密度和所述損耗密度的值。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述扭矩密度至少為大約3.8N'm/kg,并且所述損耗密度至多為大約0.6W/cm2，在所述裝置作為連接到電阻性負(fù)載并處于以至少大約1000Hz的頻率提供電力輸出的旋轉(zhuǎn)速度的發(fā)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行期間，測(cè)量所迷扭矩密度和所述損耗密度的值。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述扭矩密度至少為大約6.0N'm/kg,并且所述損耗密度至多為大約0.4W/cm2，在所述裝置作為連接到電阻性負(fù)載并處于以至少大約750Hz的頻率提供電力輸出的旋轉(zhuǎn)速度的發(fā)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行期間，測(cè)量所述扭矩密度和所述損耗密度的值。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述扭矩密度至少為大約8.0N'm/kg，并且所述損耗密度至多為大約0.6W/cm2,在所述裝置作為連接到電阻性負(fù)載并處于以至少大約1000Hz的頻率提供電力輸出的旋轉(zhuǎn)速度的發(fā)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行期間，測(cè)量所述扭矩密度和所述損耗密度的值。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述軟^磁材料是先進(jìn)的低損耗材料，該先進(jìn)的低損耗材料的特征包括小于"L"的鐵損，其中"L"由公式L-12.fBL5+30.f".B"給出，其中L是以W/kg為單位的損耗，f是以kHz為單位的頻率，和B是以特斯拉為單位的峰值磁通量密度。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述先進(jìn)的低損耗材料是選自非晶態(tài)金屬、納米晶體金屬和優(yōu)化的Fe基合金的至少一種材料。8.根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述低損耗軟^磁材料是非晶態(tài)金屬。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述低損耗軟》茲材料是納米晶體金屬。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述低損耗軟磁材料是優(yōu)化的Fe基合金。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置是軸向空隙式裝置。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，特征在于，所述裝置具有兩個(gè)定子組件和所述兩個(gè)定子組件之間的一個(gè)石茲場(chǎng)組件。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述磁芯是整體磁芯。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述整體磁芯還是單體式磁芯。15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置是徑向空隙式裝置。16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置適于以高于大約500Hz的換向頻率連續(xù)運(yùn)行。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，所述裝置適于以從大約500Hz到3kHz的換向頻率連續(xù)運(yùn)行。18.根據(jù)權(quán)利要求n所述的裝置，其特征在于，所述裝置適于以從大約600Hz到1200Hz的換向頻率連續(xù)運(yùn)行。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，所述裝置適于以大約1000Hz的換向頻率連續(xù)運(yùn)^f亍。20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置為環(huán)境空氣冷卻的封閉框架式設(shè)計(jì)，并且適于在高于環(huán)境至多IO(TC的溫升的情況下以與至少大約500Hz的同步頻率相對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度連續(xù)運(yùn)行。21.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述裝置為強(qiáng)迫空氣冷卻式設(shè)計(jì)，并且適于在高于環(huán)境至多100。C的溫升的情況下以與至少大約750Hz的同步頻率相對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度連續(xù)運(yùn)行。22.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述裝置為液體冷卻式設(shè)計(jì)，并且適于在高于環(huán)境至多IO(TC的溫升的情況下以與至少大約1000Hz的同步頻率相對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度連續(xù)運(yùn)行。23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置的每極每相的溝槽比為0.25到4,0。24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，所述裝置的每極每相的溝槽比為0.25到1.0。25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的裝置，其特征在于，所述裝置的每極每相的溝槽比為大約0.5。26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述多個(gè)轉(zhuǎn)子極在大于大約12,000轉(zhuǎn)每分鐘的速度時(shí)至少為4個(gè)。27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述多個(gè)轉(zhuǎn)子極至少為16極。28.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述多個(gè)轉(zhuǎn)子極至少為32極。29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述定子繞組適于連接到三個(gè)電氣相。30.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述磁場(chǎng)組件是轉(zhuǎn)子。31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于，所述裝置為無(wú)刷7Jo磁式DC電才幾。32.—種制造高效、高功率密度的永磁式電磁裝置的方法，其包括(a)選擇先進(jìn)的低損耗軟磁材料，其特征包括小于"L"的鐵損，其中"L"由公式L-12'f.B"+30.f"'B23給出，其中L是以W/kg為單位的損耗，f是以kHz為單位的頻率，和B是以特斯拉為單位的峰值^磁通量密度；(b)設(shè)置至少一個(gè)定子組件，其包括由低損耗軟磁材料形成并具有多個(gè)溝槽的磁芯；(c)在所述溝槽中設(shè)置定子繞組，所述繞組適于連接到至少一個(gè)電氣相；并且(d)設(shè)置至少一個(gè)磁場(chǎng)組件，所述至少一個(gè)磁場(chǎng)組件包括多個(gè)轉(zhuǎn)子^L和多個(gè)永磁體，所述石茲場(chǎng)組件布置和設(shè)置成用于與所述至少一個(gè)定子組件發(fā)生-茲相互作用，所述裝置提供至少大約2.5N.m/kg的扭矩密度和至多大約0.2W/cm2的損耗密度，在所述裝置作為連接到電阻性負(fù)載并處于以至少大約500Hz的頻率提供電力輸出的旋轉(zhuǎn)速度的發(fā)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行期間，測(cè)量所述扭矩密度和所述損耗密度的值。33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，所述電磁裝置是軸向空隙式裝置。34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)轉(zhuǎn)子極在大于大約12,000轉(zhuǎn)每分鐘的速度時(shí)大于4個(gè)。35.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)轉(zhuǎn)子極至少為16才及。36.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)轉(zhuǎn)子極至少為32極。37.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，所述裝置的每極每相的溝槽比為0.25到4.0。38.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，所述低損耗軟》茲材料是非晶態(tài)金屬。39.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，所述低損耗軟》茲材料是納米晶體金屬。40.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，所述低損耗軟石茲材料是優(yōu)化的Fe基合金。41.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，所述磁芯是整體磁芯。42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，所述磁芯還是單體式磁芯。43.—種高效、高功率密度的永磁式電磁裝置系統(tǒng)，其包括高效、高功率密度的電磁裝置和用于連接并控制所述機(jī)器以及可操作地連接至所述機(jī)器的電力電子裝置，所述電磁裝置包括(a)至少一個(gè)定子組件，其包括由低損耗軟磁材料形成并具有多個(gè)溝槽的磁芯，所述多個(gè)溝槽纏繞有適于連接到至少一個(gè)電氣相的定子繞組；和(b)至少一個(gè);茲場(chǎng)組件，其包括多個(gè)轉(zhuǎn)子極，所述-茲場(chǎng)組件包括多個(gè)永磁體并且布置和設(shè)置成用于與所述至少一個(gè)定子組件發(fā)生-茲相互作用，其中，所述裝置的扭矩密度至少為大約2.5N.m/kg，并且所述裝置的損耗密度至多為大約0.2W/cm2,在所述裝置作為連接到電阻性負(fù)載并處于以至少大約500Hz的頻率提供電力輸出的旋轉(zhuǎn)速度的發(fā)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行期間，測(cè)量所述扭矩密度和所述損耗密度的值。全文摘要本發(fā)明大體涉及一種諸如電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)或再生電動(dòng)機(jī)的電氣裝置，其具有由先進(jìn)的低損耗材料制成的纏繞定子鐵芯。在優(yōu)選實(shí)施例中，電氣裝置是軸向空隙式構(gòu)造。本發(fā)明提供具有高極數(shù)的電氣裝置，其在具有高效率以及高的扭矩密度和功率密度的情況下以高的換向頻率運(yùn)行。由本發(fā)明開發(fā)的先進(jìn)的低損耗材料包括非晶態(tài)金屬、納米晶體金屬和優(yōu)化的Fe基合金。文檔編號(hào)H02K1/02GK101523694SQ200780028586公開日2009年9月2日申請(qǐng)日期2007年5月25日優(yōu)先權(quán)日2006年5月25日發(fā)明者A·D·希爾策爾申請(qǐng)人:萊特工程公司