CN101019298A - 低成本、高效率电动发电机 - Google Patents

Abstract

一种电动发电机包括一个围绕着旋转轴旋转的转子和一个固定不动与转子相互磁作用的定子。转子由两个以一定间距隔开的转子部件组成，具有磁极，驱动磁通量从它们之间的电枢空气隙穿过。电枢，位于电枢空气隙，具有一个完全无磁性和低导电的模板，而绕组则缠绕于模板之上。模板上有一个延伸入转子的活动端，和一个连接到电动发电机的固定部分的支撑端。模板由一个较薄的支撑部分和一个较厚的突出部分组成，突出部分从支撑部分顺着磁通量的方向延伸。绕丝由多根本身绝缘的导线组成。每条线上的导体都电并联，并彼此在电枢的空气隙内部沿其长度方向绝缘。通过在突起部分之间嵌入线，绕丝缠到模板上；在缠绕过程中，模板为绕丝提供位置和支持，随后绕组上的电磁感应扭矩通过模板上的支撑端与电机上的固定部分产生反应，防止绕组在转子转动期间与转子部件接触。

Description

低成本、高效率电动发电机

本发明涉及在电和机械之间进行能量转换的电子机械，尤其是关于一种低成本、高效率的电动发电机，该发电机采用低成本的电枢绕组结构，具有效率高和易操作、快速缠绕和组装的特点。

发明背景

在大多数国家，电机消耗了一半以上的电力。目前所采用电机的大多是感应电机。感应电机运行简单可靠，成本较低。然而，感应电机的效率并非最高。

在一些用途中，电动机和发电机必须持续或接近持续运行。在此过程中，每年的电力消耗成本比电动机购置成本要高出数倍。提高用于这些用途的电机效率可产生重大的经济效益。

另一种电机无刷永磁电机具有比感应电机更高的效率。因为永磁电机中的场通量是由磁力而非感应电机中的受激电子线圈构成，因而运行效率更高。可惜的是，传统的无刷永磁电机比感应电机的价格昂贵许多。而且除了在其功能效益必需的地方，它提高的效率和节省的成本并不能弥补它的高费用，因而并不是经济可行的替代品，

一种提高无刷永磁电机效率的方法是通过停止使用其构造中的电子叠片结构来消除叠片结构中的涡电流和滞后损失。在这种电机中，电枢由空心的绕组而非缠绕进叠片组织的狭槽中的线圈组成。这种构造还有益于减少绕组电感以提高快速运作。因此，这种电机很小，通常用于照相机、牙钻、调速轮能量储备系统和专门用途的补助马达间接变速装置。然而，尽管它们可能会提高效率，空心永磁无刷电机需要使用更多的磁原料，采用的电枢则更加费时、昂贵和难以组装。此外，一些构造也会致使电枢损耗增加和减少潜在的能源效率收益。为此，这种电机尚未取代感应电机广泛用于商业用途。

因此，市场上需要一种新的高效率、低成本的电动发电机来广泛用于商业用途。这种电动发电机应该具有更高的效率和商业吸引力来替代感应电机和其他各种类型的电机，并且还能减少用电成本。

发明简介

本发明提供了一种低成本、高效率的电动发电机。通过使用一种空心布局的特殊的低成本电枢绕组结构，该电动发电机同时达到了高效率和低成本两个目标。这种结构可以更容易、快捷地绕圈和组合。

该电机包括一个围绕旋转轴转动的转子和一个固定不动并与转子因磁力互相作用的定子。转子由两个以定距离间隔的转子部件组成，它们之间有个电枢空气隙，固定的空心电枢就在此处。转子部件上的磁极驱动磁通量经过电枢空气隙并穿过电枢。转子部件提供了低磁阻、高效率的磁通量通道以连接磁通量在空气隙中来回流通。转子部件更适宜由诸如钢铁等的铁磁原料构成，可以减少磁通量通道的圆周磁阻，并增加整体的通量密度、功率电容和效率。

应当指出，在过去，一些特殊用途的电动发电机结构只用一个单独的转子面在一个空心电枢的一面起作用。这种设计的好处是可以简化组装并具有在一些特殊用途中可接受的性能，尤其是高速度，由于高速运转，只需要很低的磁通密度来生产高能量。然而，依照本发明，为了最大的功率电容和效率，应用了一个分裂式转子围绕两端的空心电枢。尤为适用于低速度、高消耗的典型的感应电机中。

本发明的电机中的定子有一个空心电枢，位于磁空气隙中。空心电枢的绕组缠绕在一个绕组模板上，用于提供简化的缠绕电枢过程。通过应用绕组缠绕上模板，缠绕步骤既简单又快捷。模板由完全无磁性、低导电的材料组成，并有一个延伸至转子的活动点和连接到电机固定部分的支撑点。在磁通量流经磁空气隙的方向，模板上有一个薄薄的支撑部分和一个较厚的突起部分。通过在突起部分之间嵌入金属丝，绕丝缠绕上模板。在缠绕过程中，模板为绕丝提供位置和支持，并帮助随后绕组上的电磁感应扭矩通过模板上的支撑点向电机上的固定部分传输或与之产生反应，还防止绕组在转子转动期间与转子部件接触。在工作长度区间应用模板上的突出部分可以呈圆周状地控制金属丝。

在选择模板材料的材料性能上的一个考虑是防止磁极旋转和绕组电流中模板上重要的涡流损失的发展，以避免在电动机中产生废热和浪费能源。在用于高效率的电机中，模板上的损失需低于1％，若低于0.1％则更好。模板的低电流传导材料应具有超过1×10^-6ohm-m的电阻系数，最好超过0.001ohm-m。塑胶材料是一类很好的材料，具有足够的力度和温度传送磁力引起的作用于绕组上的动力。为热反射或防护，在模板表层增加一层薄薄的传导性材料构成的薄膜、薄层或金属箔片并不会改变在空气隙中模板材料中大多数部分的电阻系数，也不会促使重要涡流损失。因此，这一传导薄膜将构成本项发明的另一方面。

模板材料的附加优越性能是完全无磁性。目的是防止性能在重要圆周方向的通量中渗透出模板时的损失。更佳的是，模板材料的相对磁性渗透低于100，最好是低于3。同样，塑胶类材料是符合标准的好材料之一。

以往传统的空心电动发电机是将电枢绕组分别缠绕，然后将它们一起装配在电枢周围，并压缩线圈至最小厚度以密封。而根据本发明制造的电枢与以往不同，首先制造模板，然后直接将线圈缠入线圈模板，简化了组装过程。然后就可以在模板上轻松安装电枢和绕组，直接接入电动发电机。

根据本发明，绕组模板有几处重大的缺陷，并一般被认为是在电枢制造技术中的不吸引人的一方面。对于电机中一特定数量的昂贵磁性材料来说，空心电动发电机的功率电容和效率直接关系到电枢的绕组密度。因此，设计者通常寻求尽量加大电枢的绕组密度和缩小所需的空气隙厚度。磁空气隙越小，磁通量越大，因而产生越高的效率和功率电容。电枢绕组的绕组模板占据了磁空气隙中的实质性空间，若按传统技术制造，该部分会满是额外的绕组。与无模板的构造相比，模板支撑部分所在的空间增加了朝磁通量方向的厚度，而突出部分则减少了呈圆周状围绕电枢的绕组数量。较低的绕组密度和单一的电枢模板组合就是大的电枢，根据本项发明，可以利用组合或叠合在磁空气隙中的多重模板。叠合电枢模板构造可以使在每一层只有单相缠绕，最终形成一个大的绕组点和更大的电阻损耗。

尽管由于降低电枢绕组密度而产生了一些缺陷，根据本发明制造的电机却是个令人惊叹的很有吸引力的构造和制造技术。虽然降低的电枢绕组密度确实需要增加一些磁力材料和磁力成本以达到与其他电机同样的高功率水平和效率，这项增加的磁力成本却大大少于通过简化电枢生产节省的生产成本节余，并减少了总体生产时间。下面将要阐释，任何降低的效率也都由模板绕组的其他特点进行了补偿。

绕组缠绕的模板最好由完全无磁、低导电的材料制成，如尼龙、改性聚苯醚(Ultem)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)或是纤维增强塑料。也可以由热聚合物、玻璃陶瓷等陶瓷或其他易生产、不贵重的合适材料，例如通过加工、挤压、浇筑、塑成，从而提供足够的力量支持作用于特定型号的电动机或发电机绕组上的力量。一般认为，热导电聚合物导热性超过1W/Mk。这种材料可以提高从绕组经由模板到电枢空气隙中的对流冷却的热能传送。这种模板的首选生产技术是喷射模塑法，因为它快捷、成本低，而且可轻易地形成复杂的管道建设。

本发明的一个实施例中，模板表层有安置金属丝的管道。管道为绕组提供了构造上的支持，并在缠绕过程中更好地将绕组控制在模板的恰当位置。特别是对于大型、高速或高磁极的电机，流经旋转导体的转子产生的电流中涡流损失会非常大。为将损失减到一个较低的水平，绕组上最好采用绞合线或由多种本身绝缘的线拧成的线。由于减小了弯曲的僵硬度，拧在一起的线更容易绕成大的线。然而，由于绞合线绕组比实心线绕组柔软百倍或百倍以上，除非以某种方式强迫，否则它不会保持在需要的地方。因此，采用前面的方法用绞合线缠绕空心电枢会很困难。缠绕的线圈或绕组会从需要的缠绕方式中弹开，令制作变得困难。然而，根据本发明在模板上缠绕绞合线绕组可轻易完成，因为在把线按入管道之后，管道会在恰当的位置将它扣紧。在本发明的一更佳实施例中，管道夹紧线并紧紧固定。其他减少损失的构造可由平行联结的方形或带状的绝缘线在工作长度区间内根据各自的长度联结缠绕。再次，在缠绕过程中，这些绕组的高弹力在模板箝位上占据了实质性的优势。绕组产生的效率超过了由模板导致的低缠绕密度造成的效率损失。

多条线可以安置在同一个缠绕管道内，也可以每条线安置在各自不同的管道内。单独的管道可以提供更好的支持，因为一组线在同一个管道中可能会在中间部分向外突出，因而变松，但由于他们的构造和位置，单独管道也可能会进一步减小缠绕密度。当低导电模板上的相邻突出部分间隔与一条线的宽度相近时，单独管道便形成了。为最易缠绕和生产，电枢中最好每条管道只有一条线。在把线嵌入管道时，在其直径横截面处嵌入以将其控制在适当地方。对于绞合线绕组来说，在嵌入适当位置时会受到轻度挤压。

管道或模板表面的特点允许快速可靠的电枢缠绕。与其他生产方式不同，缠绕线不需要通过各种孔洞或开口。绕组只需简单地按入或嵌入模板表面正确的管道即可。缠绕过程可以使用自动化机器，也可以简单可靠地由人手工使用手压滚筒把绕组缠入恰当的管道中。模板可由机器加工出管道或表面特征，或为了大批量生产，也可以用喷射模塑法制造。

本发明更进一步的优点在于可以用高度的精密缠绕电枢。与其他构造的手工缠绕不同，模板的表面特点通过在缠绕过程中为线路提供确切的位置，方便了缠绕，从而阻止了缠绕错误和失误的产生。在多元相的电动发电机中，不正确的线圈放置可能会发生在缠绕、排列、装配、密封过程中，而这一创新的缠绕过程则避免了这种情况。不会发生相电压或角度不平衡，进一步提高了性能。

在需要时，电动发电机也可以方便绕组的置换。传统狭槽缠绕电枢绕组是用环氧树脂粘合进电机叠片结构和机壳中，与传统方法不同，根据本发明，电枢，甚或电枢的任何部分可以根据需要打开、移除或替换。

根据所需的缠绕式样，模板上管道或表面线路控制特点可以用数种方法制造。绕组可由线圈组成，最好则是做成一条环圆周的蜿蜒的通道。各条管道构成一个完成的管道系统，可以完全接收整个模板表面的缠绕的线路。这种方法提供了最大的结构支持，也保证了绕组相邻拐角处的绝缘。裸露的绞合线更易压缩，可在需要时使用。然而，一个完全管道的使用会减少可能的缠绕密度，尤其是对于轴向空隙电动发电机。为防止进一步减小可能的缠绕密度，降低机械模板的成本，管道设计突出部分可以从模板延伸至几个选定的部分，如在工作长度区间中的一部分，或只在靠近工作长度区间端部的位置。模板表面不完全的管道覆盖会轻微地增加缠绕的难度，但与提高缠绕密度这一好处相比，这种难度增加一般是微不足道的。

许多电动发电机使用三相结构装置。根据本发明，如果忽略掉端部转弯管道，所有的三相都可以缠绕到一个单独的管道。可选地，在一更佳实施例中，每一相都分别缠绕到单独的管道中。模板随后轴向堆叠在一起，在角部方向移动以组成多位相轴向空隙电动发电机。对于径向空隙电动发电机，一个或多个模板应在一个薄墙组成的圆筒状的模板中，并带有数条径向突出管道。在大多数情况下，轴向空隙的结构是最容易和最经济的，因而是条件许可下的首选。如环氧树脂等的黏合剂可以应用于缠绕模板，以增加叠合结构中电枢的结构完整性。若需要结构更加完整，也可以用真空树脂注入法装配电枢。然而，这可能会增加成本和生产时间，在很多情况下可能没有必要。

虑及多重电枢模板的叠合或装配，在一个单一模板线路缠绕重合部分，模板的支撑部分最好省掉。这种重合通常都是线路输入、输出与电枢联结的结果。多重模板最好在同一个区域省掉支撑部分，以使重合不会阻碍有秩序的叠合。

在许多情况下，电机结构每相使用多重线路，因此多重线路电力上串联而机械上并行绕直径蜿蜒。多重线路可能一次沿一条通道绕直径而行组成绕组，那时便适当地连接到一起，因而连续的转弯使电力上串联。在一较佳实施例中，绕组最好由一条线缠绕，或少于线的总数，在直径处有几个转弯。这种方法消除了多重内缠绕连接并提高了生产速度。这种缠绕技术类型可能会在单独的缠绕管道中适用，因而每个通道围绕直径的转弯位置都被确定，并控制在恰当的地方。

尽管电动发电机可以应用于许多使用电动机和发电机的场合，它特别适用于连续或接近连续运行的用途。其中一个首选的用途是用来产生气流的风扇或吹风机。一个特别的用途是打扫房间。在这些或类似的用途中，与当前使用的标准的感应电机相比，用电动发电机可以真正地省电。与其他无刷永磁电动机相比，电动发电机的低成本是商业上可行、成本上有效的替代品。除了效率高和拥有其他电机的优点之外，这种电动发电机的好处还包括充分地减小了型号，减轻了重量，减少了噪音。

本发明的另一方面在于，可以通过在缠绕电枢之前压缩绞合线，可以增加缠绕密度并令装配更加简单。若模板上的管道横截面是矩形，可以提前压缩绞合线成能够匹配的矩形或接近矩形的横截面。这一过程可以在线路生产过程中通过固定锻造滚筒的使用来实现。滚筒在经过的线上进行高速的瞬间压缩，因此极大地紧密了线束。之后矩形线便可以缠绕、嵌入管道中。在整个电枢上可能很少或不再需要进一步的紧密压缩。在缠绕过程中应小心将线定好方位嵌入管道中，线轴最好支撑旋转以防止在缠绕过程中线路扭曲。

带有管道的低导电模板可由几种方法制作而成，包括用塑料坯件加工、塑型，或通过浇铸，如压模和注模等手段。用注模手段可以用低单位成本生产出大量的产品。在首选实施例中，优先使用压模方式，其后使用缠绕电枢方式制作模板。为便于提高传热能力，需要时可用热传导聚合物制造模板。不论模板的导热系数如何，为了固定机壳，固定电动发电机模板的装备应配有调节电枢热膨胀的配件。这种配件可以包括特大型的固定孔，径槽或一个有弹性的或柔韧的接线。这种配置防止模板中由于运作产生的潜在的有害压力和模板的相对热膨胀。

多相电动发电机可以在每一相上安装一个模板，使模板多层次、有角度地分布来满足对相的数目的需求，也可以多相共用一个模板。每种方法都是为了不同的用途和设计而具有不同的特性。例如，在一个径向空隙电动发电机中，通过避免不同相上各个不同半径的圆筒挤在一起，只用一个单独的模板具有简单的优点。当多个相共用一个模板时，作为增加的性能，可用端部转弯重叠使朝磁空气隙方向的工作长度区间比端部转弯处薄一些。

根据机器的设计、运行参数和成本不同，可以制造出多种缠绕模式。在某些情况下，通过绕组间距提高电动发电机的功率是可行的。本发明的另一实施例是，在工作长度区间可以呈圆周状地使相的绕组间距比在磁极点周围均一地圆周分布更紧密。这种结构将更多的绕组靠近磁极中心部分以更刺激电压，而将更少的绕组安置在磁内渗漏区。

至于径向空隙电机，模板可由径向突出管道组成的管子和一个薄薄的支撑部分构成。为便于安装转子和电枢，电枢两端的端部转弯处最好向相反的方向径向延伸。这样便于将电枢插入转子和安装磁体。为求简单，管状模板的支撑部分可以制作成允许绕组的端部放射状地向空心电枢的活动端延伸。方法之一是省掉模板在活动端端部的支撑部分。转子和定子的安装可以通过将磁体连接到外部的转子管，电枢轴向滑入转子，然后磁体轴向滑到内部的转子部件上。另外，也可在将磁体与转子连接之前将它连接到内部的转子部件，然后，在电枢嵌入外部转子管之后，可将带有磁体的内部转子部件嵌入电枢并与转子连接。

径向空隙电机的另一方面是可以用电枢缠绕压紧方法。可将绕组缠绕进模板外部表面的管道中。用拉金的包装材料，如细丝、带子等圆周状绕紧模板。包装材料可以将绕组挤压进管道，形成一个精确尺寸、高密度的空心电枢。

本发明的又一实施例在于，轴向空心电机可以满足易缠绕、高绝缘强度、高密度和易组装的要求。每个模板只有一个相，各个模板轴向叠合在一起构成多相电枢。为避免重叠，实现平面叠合，模板上最好有轴孔供绕组缆心线从模板进出。最好的版本是，绕组沿蜿蜒的通道缠绕，而多重线路的蜿蜒缠绕则通过绕模板多次沿圆周方向缠绕实现。在这个结构中，每个单相线圈只有两条线一个端点需要使用轴孔进出以防止重叠。为了简便，也可以使用两个端点的轴孔供所有线路从一个轴面进出电枢。该结构的优点是绕组可以在整个电枢上都得到支持。此外，管道可以使所有的绕组绝缘隔离。这样便可以使用更柔韧、更易压缩的绞合线。

本发明可以用在型号大小不一的电动机和发电机上。对于特大型的电动发电机，例如大型涡轮发电机，可用较易生产的多重圆周截面制作电枢模板。然后可以将截面组装并以电力连接形成一个大的电枢，否则若将它作成单独一块，便既不实用也不经济。这种电动发电机的用途包括固定和流动两种，而无论在何种情况下高效率、高性能和低成本都是受欢迎的，包括工业生产电动机，制造业，各种电动车辆和轮船推动力。

附图描述

在看过如下图文结合的详细介绍后，可以更好地了解本项发明及附带的各种特点和优点。其中：

图1A是一个带有单面转子的无刷永磁电机的部分正面示意图。

图1B是一个带有单面转子和铁磁护铁的无刷永磁电机部分正面示意图。

图1C是一个带有双面转子和铁磁护铁的无刷永磁电机部分正面示意图。

图1D是一个带有两端有磁铁的双面转子和铁磁护铁的无刷永磁电机部分正面示意图。

图2是一个对比1A-1D结构的马力能力图表。

图3A是根据本发明制造的轴向空隙无刷永磁电机的正面示意图。

图3B是图3A中根据本发明制作的无刷电机的一半，一个转子的平面示意图。

图4是根据本发明制作的无刷永磁电机的圆周截面的部分正面示意图。

图5是另一个根据本发明制作的无刷永磁电机结构圆周截面的部分正面示意图。

图6是一个根据本发明制作的无刷永磁电机的从圆周方向观看径向切面的部分正面示意图。

图7是根据本发明制作的另一结构的无刷永磁电机的径向切面的圆周的部分正面示意图。

图8是根据本发明制作的第二可换结构的无刷永磁电机的径向切面的圆周的部分正面示意图。

图9是一个根据本发明制作的第二可换结构的无刷永磁电机的圆周切面的径向部分正面示意图。

图10A是图9中无刷电机中电枢的相叠合示意图。

图10B是图9中无刷电机中电枢的相叠合示意图。

图11是根据本发明制作的无刷电机中电枢的生产过程平面示意图。

图12是个别缠绕的电动机和根据本发明制造的电动机生产成本对比示意图。

图13是根据本发明制造的无刷电机电枢绕组平面示意图。

图14是根据本发明制造的无刷电机中一可替换结构的电枢绕组平面示意图。

图15是根据本发明制造的无刷电机中第二可替换结构中电枢绕组部分平面示意图。

图16是带有根据本发明制造的无刷电机的风扇示意图。

图17是一个带有根据本发明制造的无刷电机的可替换的风扇结构示意图。

图18是根据本发明制造的电机与标准感应电机的省电对比示意图。

图19A是根据本发明制造的径向空隙无刷永磁电机的侧面示意图。

图19B是图19A中的无刷电机的端视图。

图20是根据本发明制造的第三可替换结构电枢缠绕轴向空隙无刷电机的平面示意图。

图21是根据本发明，图20中用于生产三相电机的电枢的电枢绕组的相叠合的一个展开的正面示意图。

图22是根据本发明制造的第四可替换结构电枢缠绕无刷电机的平面示意图。

图23是根据本发明，图21中用于生产三相电机的电枢的电枢绕组的相叠合示意图。

图24是根据本发明，一个第二可替换结构的无刷永磁电机的侧面示意图。

图25是一个图24中无刷电机的电枢模板的展开平面示意图。

图26是一个图24中无刷电机的组合电枢的部分示意图。

图27是根据本发明制造的，一个由多重圆周切面模板组合的大型电枢模板示意图。

图28是根据本发明，制造一批无刷电机中使用的空心电枢的步骤流程图。

较好实施例的描述

在示图中，相似的附图标记标示出相同的或相关的部件，其中四种用于空心电动发电机的不同的磁性构造都标示在图1A-1D中，以便对比。图1A显示了转子31，定子32的电动发电机30的一小部分。定子32是由电枢绕组33组成，与转子31非常相似，以便于能量转换。转子41包括连接在一轻型的完全无磁性转子部件35的交替的磁极34。转子相对于固定的定子旋转，所以，在实际过程中，磁铁34从侧面垂直通过线圈33，到达电线，并与装有线圈的平面平行。磁铁34在线圈33中产生出环形37电流，再在转子部件里沿着这个环形37绕回来。

图1B所示的电动发电机40中，转子41相对于固定的定子42旋转。定子42包括电枢绕组43，与转子41非常相似，以便于能量转化。转子41包含了连接在铁磁转子部件45之上的交互的磁极44。当转子旋转并把磁铁带过电枢绕组43时，磁铁44就产生出环形46电流，通过线圈43，再通过低磁阻钢转子部件45以环形形式47绕回来。

图1C标示的是一个带转子51和定子52的一个电动发电机50。定子52由电枢绕组53组成，与转子51非常接近，以便于能量转化。转子51由交互的磁极54组成，这个交互的磁极是连接在一个铁磁部分55和一个分立开来的作为支撑的铁磁转子56的。旋转的一列磁铁54在环57中产生出电流穿过线圈53和低磁阻钢转子56，并穿过环58和低磁阻钢转子55。

图1D标示了一个带转子61和定子62和一个电动发电机60。定子62由电枢绕组63组成，与转子61非常相似，以便于能量转换。转子61包括连接在铁磁转子66，67上的交互磁极64，65。铁磁转子66，67同时旋转。这列旋转的磁铁64，65产生环形电流68，69穿过线圈63和低磁阻钢制转子部件66，67。

图2显示出了不同的磁体构造1A-1D之间的马力对比。每种设计都使用了等量的磁铁材料，动力级别的计算也是以效率达到98％为基础的。虽然1A和1B构型允许通过把转子放在电枢的一边而进行简单的组装，但他们的动力水平却很低，分别为7.75马力和11.75马力。这样的成本功率比对于某些用途来说还可以接受，但是若与低成本的电磁感应发电机相比，就显得远远没有竞争力了。图1C的构造提供了置于后面的钢铁以便于有效地疏导周边的电流在电枢的两侧流通。这是一个很显著的改进，大于两倍的动力能力。因此电枢两侧铁磁转子的使用最好是使用依据本发明的电机。图2表明图1D的结构通过在每个铁磁转子上安装半块磁铁就能提供更多的改进。这种结构能产生更大的电流以跳过电磁气隙，穿过电枢，而不遗漏周边的电流。这样，动力就由23.25增至40马力，是最高的马力转子设计构型。在要求低惯量的使用中，大家也认为一个没有磁转子的Halbach发电机磁铁列也可以被使用。然而，这种结构成本很高，因此不太为商业所用。

现在来看图3A和3B，这是一个无刷的电动发电机80，有一个转子81和定子82。转子81具有两钢质转子部分83和84，它们由高磁阻连接管94连接在一起。连接管94和转子部件83，84可以具有扇动空气的特性，以在需要时为这个电动发电机80提供气流冷却。如图3B表示的那样，每个转子部件83，84上都连有多个交互磁极的永久磁铁85，86以产生磁通量，穿过由沿轴对称的两个转子83，84表面所形成的磁空气隙87。磁空气隙87中是一股特殊的气流柱电枢88，那里有多个线圈进行动力的转换。电枢88的几个构型在下面会被详细的描述。具有转柱89和90的转子部件84，83被轴承91，92支撑。轴承91，92由远处独立位置上的一外管97端口处盖板95，96支撑。螺栓98把端口处的盖板95，96固定在一起，并支撑着磁空气隙87里的气柱电枢88。图3B是转子81的轴平面图，它显示了带有交互磁极的磁铁85的转子部件84，它可以产生来回往返的电流，穿过磁空气隙87，并通过转子部件83，84周边的通路，正如图1D所示。

以前的空心电动发电机设计试图加大空心电枢的线圈匝数。在电动发电机相似的设计中，增加每个磁空气隙单位厚度的线圈匝数就会增加每单位磁性材料的效率和马力。虽然依据本发明所制的空心电枢已经有了理想的线圈匝数，然而另一个目标就是要使电枢制作更快，更简易和更经济。

图4为如图3所示类型的无刷电动发电机110的轮廓图。它包括了一个沿着伸展至图中平面后面的一垂直轴旋转的转子111，和一块电枢117，位置如图3A所示的电枢88的位置。转子111，和图3A中转子81一样，将连接有多向交互磁极磁铁114，115的铁磁转子部件112，113隔开。轴向气隙116布置在磁铁114，115的相对位置。磁铁产生通量120，穿过气隙116，并流经固定在气隙116上的电枢117。磁通量从边缘流经铁磁转子部件112，113的环121，122，形成环形电流。电枢117是由以不具磁性并低导电率材料制成的板118构成。这种材料可以是尼龙或其他塑料或陶瓷，经挑选以达到电动发电机各自不同规格和用途所需的硬度和温度。热导材料更好一些因为它能促进电枢117外部的热量传递。板118有一层薄薄的衬板124和一些稍厚点的突起部分125。这些突起部分125之间的空隙形成了一些管道126。

电枢是由将线圈119直接绕进板117中空隙或管道126中而制成的。比较理想的是，管道126的宽度要正好容下线圈119，以便于在绕线圈的过程中仅仅需要把线圈119推进管道126中。

如图所示，电枢的构造并不加大线圈的厚度，前面的几种方法也是如此。衬板124和突起部分125的占据的一些空间本可以被用来盛装更多的线圈，如果没有板117的话。但是，电枢的制作过程却因此变的更简易，迅速，更可信赖了。电线在缠绕过程中就不需要被引着穿过多个开口，也不需要特殊的承载和封闭装置，密封松香也可以被省略或少用，虽然有时它还是会被拿来固定缠绕后的线圈。和电枢制造不同，在那线圈是单独缠绕，之后再组装，封装，根据本发明的电枢可以用简化的步骤制成。相似的，板117的使用或密封在此的相似的板都允许使用绞合线。绞合线是由多个独立的，互不导电的缆心线束123构成，如图4A所诠释的那样。缆心线束之间的绝缘避免了线圈中涡漩电流的损失。对于高动力电动发电机，绞合线的使用已变得非常重要，因为这类电动发电机的电线规格和电枢规格都很大。用于替换大型感应发电机的电动发电机上尤其有优势。用绞合线缠绕使得绕线过程更简单。然而，不同于固体电线导体，绞合线并不能保持它弯曲的形状。因此，用绞合线单独缠绕空心电枢，如前面所提到的方法那样，是很困难的。线圈在缠绕和装配后并不能保持形状。这里提到的缠绕过程就克服了这个缺陷因为那些空隙能固定电线，因此整个过程的完成就会迅速并又简单。

图5是另一个无刷电动发电机130的结构，和图4中的构造类似，因为它包括了一个固定的定子，定子上包括一个电枢137和一个转子131，这个转子具有两个隔开的共同旋转的钢质转子部件132，133，连接着磁铁134，135。电枢137被固定在一个由磁铁134，135沿轴的两个相对的表面所形成的空隙136上。磁铁134，135产生磁磁通量，穿过电枢空隙136，并流经空隙136中的电枢137，和转子131中的边缘路径132，133，如图3A和图4所示。

电枢137包括一个无磁性的，低电导率的模板138，模板由一薄薄的衬板139和一些管道141所组成。管道是由突起部分140形成的。在这个构造中，线圈的缠绕被进一步改进。线圈142被更安全地固定在这些管道141中。这些管道的宽度大致相当于线圈142的电线的宽度，因此每根电线都被放在单独的管道里。当若干电线放在同一个管道里时，如图4所示，这些电线就会向上弯曲，变形，松动管道的支持，并最终脱离这些管道。虽然这种情况可以通过在这些充斥着线圈的管道上挡上粘合板或其他的板来抵消，如图9和图21所示。但是，没有盖的电线在这个多线的管道里非常不容易缠绕，尤其是当制作电枢需要许多电线的时候。图5中的电机结构排除了那种问题，并同时为缠绕方式提供了方便。比如它方便了电线的串联，这个将会在以后更细致地描述。当一根电线单独占据一个管道时，缠绕就变得简单了，而电线也更容易保持原位不变，不论它们与管道是同宽或是比这些管道细。图中标示，电线142直径和管道142的宽度一样，但是它们也可以更大一点，这样可以保证电线被塞进管道，如下面相关的图11所描述的，并填满整个管道，如图21所示。另外，电线可以被绕成方形或矩形的十字花，这样也可以紧紧地贴着管道的两边插入缠绕了。还有，为了生产的方便，电线可以在端口处做成稍稍倾斜的断面，这样电线就可以很容易地插入管道，然后紧紧的填满这个管道。

如图6所示，无刷电动发电机150的一面上有一个绕这一垂直轴旋转的转子151和一个固定的定子152。转子151有两个隔开的，带有磁铁的同时旋转的钢制转子部件153，154组成。这些磁铁产生磁通量160，穿过电枢的磁场空隙157，如图3A-图5所示。定子152由一个无磁性的，低导电率的板158组成，这个板有个薄薄的衬板160和稍厚的突起部分161，所以在表面形成了管道，如图5所示。线圈159通过突起部分形成的管道161被直接缠绕到板158上。如这个结构图所显示的，线圈159是完全夹在这些由突起部分161形成的管道里，并由线圈159的所有部分所支撑，包括端口的曲折部位，如图22的进一步解释。这在结构上提供了很大的支撑，弯曲起来也很容易，但是会稍稍增加板158的成本。

在根据本发明的电机的一些应用中，板子不需要为其上的线圈的所有部分的缠绕提供支撑。降低板子的成本或只在选定的地方提供缠绕的支持来简化生产是更可取的，虽然为固定线圈和确保缠绕简易提供充足的支持是更好的。在板上留一部分线圈不被管道支持固定还有利于冷却线圈，或者缠绕后的封装。对于特定的电动发电机，使用高导热率的材料封装可能会更好些。图7所示为一无刷电动发电机170，它有一个缠绕模板177，上面带有支撑有效长度的管道。这里“有效长度”是指电枢绕组上与空隙中电流接触产生转矩，即电力的那部分长度区间。电动发电机170具有被支持的，绕着一垂直轴旋转的转子170，如图6-图8中结构右侧所示，以及一个定子172。转子171由两个隔开的，连接有磁铁175，176的同时旋转的钢制转子部件173，174组成，磁铁产生磁通量180，穿过电枢磁场空隙178，如图3A-图5所示。定子172包括一个不带磁性的，低导电率的模板177。板上有一层薄的衬板181和稍厚点的突起部分182，这些突起在表面就形成了管道。线圈183穿过管道直接绕到板177上。在这种结构中，捆绑管道侧边的突起部分182仅仅固定绕组的工作长度区间。电枢底端的弯曲处没有束缚，需要时可以裸露在空气里冷却。没有端部转弯处的管道，在管道中有角度地安装的每个相上的绕组可以缠到一块单独的模板上。这样会使用许多分成三类的电线。比起使用单个模板，这是个比较复杂的缠绕方式，但是却减小了多元相所需的空隙厚度。

另一种无刷电动发电机构造在图8中显示了出来。类似地，它有一个绕着一垂直轴旋转的转子191，和一个定子192。转子191由两个隔开的，带磁铁193，194的共同旋转的钢制转子部件195，196组成，磁铁产生磁通量199，穿过电枢磁场空隙198，如图3A-5所示。定子192包括一个完全无磁性，低导电率的板197，板上带有薄衬板201和稍厚些的突起部分202，这些突起部分在表面形成管道。电枢绕组203绕过这些管道直接缠绕到板上197上。如同这个构造所标示出的，管道202只支持有效长度或磁场空隙198端口处的电线203。这种构造提供了更少的结构支持，但是仍然通过在缠绕过程中固定线圈帮助方便了缠绕。这样的结构可以在需要时用环氧树脂封闭线圈。热导环氧树脂可以使电枢的热量积累达到最小化。

根据本发明的模板使用的好处之一就是简单而迅速地组建空心电枢。虽然有时可以把多元相缠绕综合到一个模板上，但是这使得缠绕非常困难，也使得缠绕在管道上的线圈的固定变得困难。为了克服这样的缺陷，也使得电动发电机的生产简单些，多元相的缠绕可以在多个模板上进行，这样每一次的缠绕都有个独立的模板，而独立缠绕的线圈也叠合在一起形成多元相电枢，如图9所示的无刷电动发电机210。这样，只需一种缠绕结构就行。每一模块都是一样的，线圈旋转起来都达到120度。这样每一相都可以选择电线的数量以优化电动发电机的动力能力和效率。这种构造缺点是需要许多模板和较低小的线圈匝数。通常情况下，这样的结构不是非常理想的。然而，若考虑到电枢生产的成本节约问题，这样的结构就非常有优势了。

电动发电机210是由转子211和一个固定的定子212组成，转子211绕着一根垂直的轴旋转(如图9)。转子211有两个隔开的同步旋转带有磁铁213，214的钢质转子部件215、216，磁铁产生磁通量224，穿过电枢磁空气隙227和转子部件215，216的边缘路径225，226，见图3A-5。定子212是一个三块模板217，218，219的组合。每块板都有一个薄薄的衬板220和突起的部分221，这些翘起的部分形成了管道222。线圈223像前面图4-8描述的那样，绕进这些管道222，然后，模板217，218，219以适当的角度组合连接在一起，形成了一个完整的定子212的电枢。

在图10A和10B中是图9所示的无刷电动发电机的相叠合电枢。电枢绕组叠合229是由三个相230，231，232组成，包含绕组233，236，239。每个绕组233，236，239的有效长度235，238，241都位于磁空气隙中以进行动力转化，并在末端的弯曲处234，237，240(包括另一端工作长度区间的末端)转移。为了产生三组的动力，每个线圈233，236，239都要偏置120度。偏角将会随相数的不同而相应的调整。

这种装置的电枢生产过程在图11中有简化的阐释。模板的绕线过程可以在需要的时候自动化。然而，这种装置的好处之一就是电枢也可以很容易地手工制作。这就允许电枢生产成本可以相对比较低，或者可以去劳动力便宜的地区手工制作，这样就不需要大量的资金投入，这和其它空心电枢装置是很不相同的。图11所表示的生产电枢251的过程是把绞合线253推挤进在低导电率模板252上的管道255中，图20所示。线轴254可以利用滚轴将电线253绕进板252上的管道里。一旦被压入，电线就被管道的两边挤住，因此被牢牢的固定在那里。根据给定的电动发电机所需的线圈的情况，单根的电线253可以一次或通常情况下多次地绕在板252上。另外，多个线轴可以同时将电线引入多个管道中，线与线之间是平行的。这样的构造减少了绕线次数，虽然有时多根电线间需要有电力连接。

在缠绕过模板之后，可以会将它们装配成进电动机，安装进转子。另外，如果需要封装，绕线后这些线圈就被移至封闭处进行密装。绕线和封装两部分开在生产过程中是有利的。对多个板的封装可以通过采用加入封装混合物而一次完成，多个电枢堆叠在一起，每个堆叠之间加一层释放膜，然后将整个线圈堆叠进一真空袋以排除管道里的空气泡。使用加热过的腔室或高压器可以增加产量和生产的一致性。多板堆叠上的盖板可以罩上一薄层如玻璃纤维类的物质，以确保电动发电机工作时绕组能固定在一个位置不动。

如前面提到的，空心电动发电机设计者针对一定数量的昂贵的永久磁铁材料，通常会努力使电枢绕组厚度最大化以产生最大的电力和效率，而生产的难易则放在第二位考虑。这就使转子磁铁成本大大提高。与这种方式的传统相对的，它的好处就是能提高电枢生产的速度，可靠性，也很经济。虽然能加厚线圈是大家都想要的结果，生产的不断简易和经济却是可以办到的，所以整个的生产成本就比较低了。生产成本的削减逐渐地明显起来。对于40马力的发动机，针对一个效率的生产成本削减如图12所示。其他规格的发电机，如果更小一点的，或其他生产量，比如说高一些的量，就会有个明显的对比。表格比较了传统式的，线圈单独缠绕的发电机和后来组装一起并覆盖封装起来的，带有缠绕电线管道的电枢和板的装置。从图表中可以看出，新的发电机需要大约高出20％的磁铁成本，因为电枢衬板和突起造成的管道使得线圈厚度降低了。尽管磁铁成本增加，新发电机也使整个生产成本降低了大约40％，这是因为电枢生产比以前更简易，更快速。电枢成本节约的另一个因素是生产设备资本投入的减少。这对于生产大型新的空心电动发电机是尤其有利的。这些新发电机也装配地特别合适，在广泛的工业使用中，可以与低成本的发电机相竞争。

图3A所示的无刷电动发电机电枢的旋转的机械原理示意图在图13中有阐释。电枢260包括一个没有磁性，低导电率的板261，表面有电线管道262。电线263绕进管道262。为了简化和阐释的需要，图中电线263和管道262使用的是与图13相同的线。所有的电线263都平行地绕成圆周。这样的结构可以用于高马力的电动发电机。在平行的螺旋结构中，不需要覆盖的缠绕电线263，这是个很大的优点。电线263到管道262的缠绕也非常简单，操作起来也很迅速，也没有重叠的缠绕。电线262的有效线圈部分264可以不从边缘(而是径向地，如图13所示)绕过磁空气隙(两条直线268，269之间的环形部分)和内外弯曲部分267。端口弯曲处267最好安在磁空气隙的外部以便于使每单位此材料的能量转化最大化。如果需要的话，也可以把端口弯曲处放在磁空气隙里，但是结果会使导体的工作长度区间减少。工作长度区间264和端口弯曲处267之间的转化被表示为角落部分266。角落部分266可以非常尖锐，或者更好是圆形，如图20和22所示，以帮助电线263固定在管道里。端口弯曲处也许也可以从一个工作长度区间到另一个工作长度区间被缠绕上。

图3A显示的另一种无刷电动发电机所用的电枢270的电线结构由图14阐释。电枢270包含一个完全无磁性，低导电率的模板271，上面带有许多管道272。电线273绕到板271上，引入管道272中。为了简化起见和便于阐释，电线273和管道272在图中都使用了和图14一样的线。线圈273在磁空气隙里的工作长度区间274，还具有径向的内、外端口处弯曲281，这些弯曲主要是从边缘传导，并连接线圈的工作长度区间。在所示的绕线结构中，电线273以螺旋的方式缠绕，一根电线有多条路径绕着整个板271的四周，也可以是多根电线的串联所形成。这种缠绕可能是通过顺着圆周缠绕多根电线273，然后再相邻电线273间联成电路276。这种缠绕简单而快速，但是连接电路时却要费些时间。或者，如果板271上有缠绕单根电线的管道272，那么整个缠绕过程就不需要连接任何电路了。缠绕的电线273沿着板271的直径被反复绕进管道272。每次的缠绕都会将电线273引入相邻的管道272。仍然，绕角280要么比较尖，要么比较圆，如图20和22所示，这样可以方便绕线。

把缠绕的多根电线273串接起来时，就会造成电线273的重叠，而磁通量方向电枢270的厚度就会增加，就会影响多个模板的叠合和组装。为了避免这个潜在的问题，最好的做法就是在周边处使用不带支撑部分的模板271，这样，线圈273的交叠272就会出现在同一块板上。板271上有块省略的地方275，专门用来置放交叠的电线的。由于电线273的直径通常大于衬板，一个接一个叠合的板的相同部分也可以移走。另外，绞合线的绝缘外皮可以被脱去，每根电线丝都散开，浅浅地分层嵌入模板中，并在每层电线丝间放一绝缘条或绝缘带，起到保护绝缘的作用。当安装完成后，电枢就会有根输入的电线连接279和输出的电线连接278。

虽然先前提到使用螺旋结构的线圈，电枢也可以使用盘旋的形式缠绕。盘旋结构可以允许绕着电枢周边连续的串联，不用相互连接。然而，盘旋缠绕缺点是它导致更多的重叠。无刷电机的电枢缠绕结构的使用如图15所示。电枢290包含一个没有磁性的，低导电率的板291，上面有许多管道298。线293以多线圈的方式缠绕进管道298。线圈有效长度295在磁场空隙里，端口弯处296最好位于磁空气隙的外部。每个盘旋线圈292都有个起始弯曲293和终端弯曲294。一个盘旋的终端弯曲可以被直接地绕到下一个相邻的盘旋的起始弯处，这样绕线的速度就加快了。不论盘旋线圈292是串联的还是平行的，重叠现象297一定会有。为了能堆叠或装备多个板，板291上最好切下一块部分299。多块堆叠在一起的板在为了协助统一堆叠而进行的组装也将在同一部位会有切下的部分。

部分由于它的高效率，低成本和易于组装以进行大功率的特点，电动发电机由许多很有前景的用途。除了通常使用的无刷DC发电机，如伺服电动机，这种电机使用一种下面要讲到的发电机控制器，可以以不同速度完成电机系统的电磁感应。高效率这一优势使得它节省了相当大的电力，尤其是用在需要不断运转的情况下。这样的一个应用就是电扇和吹风机。打扫屋子使用的电扇要不断地运转，促进很大体积的空气的流动。它们仍然会消耗大量的电力，导致每年相当大的电力损耗。根据本发明的电动发电机可以替换这种感应发电机驱动的风扇，并可以节约大量能源而不增加成本。低的初始成本使得它们在市场上很有吸引力和竞争力。这种发电机的应用的一个例子就是电扇300如图16所示。电扇300包括一个空心永磁电动发电机301，它有个特殊的电枢结构，如图中所画出的一样。发电机301驱动电扇转子302运行，并与主体303连接。电机301与电扇框架结构304搭配。电枢电线305将电机301与发电机变极器306连接在一起。变极器为电动发电机301提供同步AC以同时为电枢绕组提供能量和给转子提供转矩。变极器306可以是个感应器或者非感应器，对于发电机的整流，如图24所示。变极器306被连接起来通过电力连接307提供电力。

当移动大体积空气时，通常会使用大型的，慢速的电扇。在这种情况下，一个带状的驱动被放在电机和大型的电扇转子之间来驱动电扇以一个比电动机速度稍慢的速度运转。电扇的这种带有无刷电机和减速器的构造在图17中表示了出来。电扇310包括了一个无刷空心电机311，其中有一个专门的电枢构造，这里有说明。电机311在一个装于轴承314的轴颈的中间轴313上驱动着一个大直径的电扇转子312。电机311通过滑轮315，316和一个三角带318驱动着中间轴313。电机311的电枢绕组与变速发电机驱动变极器321联成一个电路320。变极器321为发电机311提供不同的频率和同步AC电力，以可以不同的速度驱动。变极器321由一个与输入能量的线322的连接驱动。

通过用电动发电机替换感应发电机节约的电力成本是非常可观的。与一台标准的感应发电机相比，根据本发明的电机省下来的电力成本如图18所示。计算对比了不断运行的，高效率EPACT感应发电机和新型的98％效率的空心发电机。两种不同的发电机规格，分别为5马力和40马力。每年，新型的5马力发电机都将会节省400美元，而40马力的将会节省1,434美元。十年之后，这就意味着每台将分别节省4,000美元和14,340美元。

根据本发明制造的电动发电机中，可以如图3A所示有一个轴向磁空气隙，或者也可以采用径向空隙结构，用一个必然圆柱结构和电枢缠绕结构，如图19A和19B所示的径向空隙无刷电动发电机330。电动发电机330包括一个固定的定子332和一个转子331。轴339，340在轴承341，342中作为轴颈供与定子332相对的转子331旋转。轴承341，342由机壳侧板343，344支撑，机壳侧板则由外部机壳管345连接。转子331中有一个中心钢筒部件333和一个外部同轴空心钢管334，二者由盘348在一端连接到中心部件333，在另一端开口。中心部件333与外部钢管形成了两个径向间隔、分开同步旋转的铁磁转子部件。如图19B所示，圆周状交互极性的径向磁化磁体335被连接到外管334上。与标准的等效功率等级的感应电动机相比，径向空隙结构的优点是直径较小。而这一直径缩减是以更低的磁端速和潜在地增加磁体成本为代价的。若有需要，也可以如图24所示，将磁体连接到内圆筒333上。磁体335驱动磁通量336通过由磁体336的内表面和中央钢筒部件333决定的磁空气隙337。磁体335驱动磁通量336通过一条通量通道，包括跨过空气隙337的径区间，穿过内钢筒333的圆周区间和外同轴空心钢管334。

定子332中有一个空心电枢338，该电枢与朝向转子331开口端的侧板334连接在一起，并轴向伸入磁空气隙337中。电枢338由一个完全无磁性、低导电的圆柱形模板构成。如前所述，模板有管道和缠入管道的绕组，后面与图24-26相结合有更详细的描述。为最大限度地增强功率密度能力，还可在电枢上增设液体冷却。一种方法是将液体冷却线与绕组相临穿过模板。同步变速电机驱动变极器为电枢绕组供应同步交流电。电枢绕组中的同步交流电与空气隙337中的交互通量相互反应，交互通量由磁体的旋转排列对转子331上的扭矩起作用产生。空气冷却孔346，347通过转子331提供气流并冷却电枢338。

如图20所示，轴向空隙无刷电动发电机的另一个电枢350中有蜿蜒的绕组351，该绕组圆周状多次缠入电枢模板356的蜿蜒狭槽中。绕组351包括一个起点352和一个终点353。为防止终点353处的重叠355妨碍多重模板的平面叠合，如图21所示，电枢350中有一个圆周的切除横截面354。

图21显示的是一个多元相电枢的堆叠。该堆叠电枢360由361，362，363三相轴向组合而成。361，362，363每一相各使用一个充分低导电模板364，模板包括一个支撑367和向上开口的管道366。绞合线绕组365安装在管道366中。如图所示，管道是矩形的，金属丝在缠绕之前被预压缩成矩形截面。这便于形成一个高密度的紧密结构，不需要在缠绕后再进行高压压缩。图中所示的管道366包括辐射式的内拐角，然而为更好地与矩形的压缩线路相配合，拐角可制成方形。除了表示出来的堆叠电枢360外，每个相的绕组在工作长度区间边缘紧挨着地组放在一起，比起与工作长度区间同宽情况下沿圆周统一分布更紧密。人们发现，有时可以用这种紧密包装通过减少电阻损耗和为特定设计增加电动势来提高电动发电机的效率。

如图22，23所示，无刷电动发电机的另一种电枢缠绕结构电枢370包括一个完全无磁性、低导电的模板371，绞合线绕组372缠绕在模板371的管道中。绕组372有一个起点373和终点374。如图23所示的多相电枢380，由叠合在一起的不同相381，382，383构成，每个相都如图22所示缠绕。模板371上有轴孔373，374，供绕组372从低导电的模板371中退出，以防止绕组在一个模板上的单相重叠。相应的出孔(未标示)在模板中间和底部，以供顶部的缆心线和中间的相381，382轴向退出堆叠电枢380。以这种方法，绕组可以在所有位置都彼此绝缘，而且在电枢的整个圆周上都得到模板管道的支持。因此，使用未加工的绞合线，而不在缆心线外皮上附加介质击穿强度是可行的。这种未加工的绞合线不但更柔韧、易于缠绕，而且可以实现更高的缠绕密度和电机效率。孔375环绕在模板371的外围的内外，以保证模板的适当排列，从而令相在正确的位置上彼此相关；还保证叠合装配中的模板牢固地连在一起。这些孔还用来安装扣件以控制模板待在电枢空气隙中的所需位置。

图24显示的另一种径向缝隙无刷电机390。该电机中有一个转子391，和内、外同步旋转的钢管395，396，转子包括轴承393，394和由轴承支撑的轴392；两根钢管以径向隔开，形成一个径向电枢空气隙406。径向磁化的两个磁体397，398在图19B中以圆周交互极性排列安装，但在本实施例中安装在空气隙的两面，驱动磁通量径向来回通过电枢空气隙406。磁通量在圆周状相邻的磁体之间圆周状流经内外钢管，以完成一个通量环。圆柱状空心电枢407位于电枢空气隙406中在电能和转动能之间转换。电枢407包括一个工作长度区间402和轴端部转弯处400，401。端部转弯处400，401在朝向磁空气隙的方向比工作长度区间402厚。为方便电机390的安装，端部转弯处400，401向反方向径向突出。绕组缆心线403从电枢407中退出到电盒404中。电盒位于机壳405的外部。

电盒404中可安装一个电机控制器，如用来为电枢绕组供给同步交流电和为电机390供电的同步变速电机驱动变极器。为免除精确电机交换定相的需求和消除由电机到驱动器的运转而产生的阻碍正常操作的电噪音，电机驱动器最好使用无传感控制。虑及精确有力的电机控制，电机驱动变极器使用无传感通量矢量控制。这种类型的控制以表现在电源上的高功率因数产生了高效率，还以双旋转空心电机结构提供了最佳扭矩和速度控制能力。无传感通量矢量控制的高性能与空心电枢电机增加的性能协调合作。这种电机控制器也可以应用在图3A和19A显示的电机中。

为清楚展示，图25显示了径向缝隙电机390的电枢模板“打开的”或平面的示意图。模板410是一个塑料管，具有支撑部分411和径向突出的隆起412。隆起之间有径向向外的管道413，绕组就缠绕在管道中。考虑到定子上活动端的端部转弯处要被径向向内替换，活动端的支撑部分411省略了。图26显示的是电机的组合空心电枢。电枢407由低导电的模板410构成。模板工作长度区间402上有一个支撑部分421和径向开口管道413。模板包括位于轴端部的端部转弯处401，400，绞合线绕组426就缠绕在该模板上。为把绕组426压入管道423中，可用压紧包装424圆周缠绕在模板上。包装424可以是纤维带，带子，或其他半径小而力度大的材料来提供必需的压缩。

图27展示的是由多重圆周形截面模板组装的大型电枢模板。对于较大型的电动机或发电机来说，用多重部件组装电枢更实用经济。加工或浇铸一个大型模板可能在经济上是不可行的。特大型电机的一个用途是用在直径15英尺或15英尺以上的直接驱动风轮机上。电枢430由多重圆周模板截面431构成，模板截面则通过螺钉433或其他扣件连接到固定架432上。未在图中标示出的绕组可以缠绕在截面431上。另外，为了减少所需的电力连接数量，可以在模板组装完毕之后进行缠绕。

图28展示的是根据本发明制造无刷电机中使用的空心电枢流程图。如步骤441所示，最好用浇铸或塑造模板原料的方式将模板制成所需的形状。这与其他空心电枢制造技术不同，它们是首先缠绕绕组，而浇铸或压缩则是最后一个步骤。步骤441的模板制成之后，在步骤442中将绕组缠绕上模板。在步骤443中，组装和/压缩多重绕组和/或模板。为保证在所有本身绝缘的线路中能导电顺畅，在步骤444中使用了绞合线线端。然后在步骤445中将电枢装入电机。

根据本发明制造的电机具有成本低、效率高的特点，而且拥有与用于发电用途的发电机、飞轮存储系统的电动发电机同样的功能。例如，根据本发明制造的电动发电机可用于飞轮储能系统，如在2001年10月15日的申请No.09/977,678中题为“感应器交流发电机飞轮系统”所显示的。

显然，依据本发明披露的内容，许多熟悉此技术的人可以对本文描述的首选方式进行无数的修正和变更。例如，虽然此处公开的所有实施例都是使用永磁来生产与空气隙中的电枢起作用的磁通量，但可以预期的是该磁通量也可以由传统的或超导的固定励磁线圈生产。2002年12月13日递交的申请No.10/319,190中题为“轻重量级高功率电子机械”中介绍了励磁线圈电机，在2004年6月5日出版的美国专利6,750,588题为“高性能轴向空隙交流发电机电机”中也有介绍。因此，我们想将这些修正、变更等都包含在本发明的精神和范畴中。下面我们将详细说明我们的权利要求：

Claims (67)

1.一种用于转换电能和旋转机械能的电动发电机，包括：

一个围绕旋转轴旋转的转子，由两个以一定间距隔开的同步旋转转子部件组成，该转子部件中有多个磁极，该磁极驱动磁通量从它们之间的电枢空气隙穿过；

一个与所述的转子磁性互相作用的电枢，所述电枢位于上述电枢空气隙中，并具有一无磁性并低导电性的模板，绕丝缠绕在该模板上；

所述模板上具有一个延伸入上述转子的活动端和与发电机固定部分相连的支撑端；

所述模板由一个较薄的支撑部分和沿着磁通量方向由所述支撑部分向外延伸的较厚的突起部分构成；

所述绕丝由嵌入上述突起部分之间空隙的多根本身绝缘导线组成，其中每条线上的导体电并联在一起且在所述电枢空气隙中沿其长度彼此绝缘；

在缠绕过程中，所述模板为绕丝提供定位位置和支撑，随后绕组上的电磁感应扭矩通过模板上的所述支撑端与电动发电机上的固定部分产生反应，并防止所述绕组在转子转动期间与转子部件接触。

2.如权利要求1所述的电动发电机，其中：

上述的磁通量被驱动轴向穿过所述电枢空气隙，所述电枢包括一个盘。

3.如权利要求2所述的电动发电机，其中：

所述绕组在每一层只缠绕为一个单相；一个多元相电枢由多重模板以堆叠的方式组合在一起而成。

4.如权利要求3所述的电动发电机，还包括：

在上述堆叠装置中，模板上用来对准所述模板的孔，因而通过一个适当的角位移，多元相可以恰当地彼此弥补，而堆叠装置中的接合紧固件可以将上述模板牢固地连接在一起。

5.如权利要求3所述的无刷电动发电机，其中：

所述模板上有轴孔，供所述绕组从所述模板上退出，以防止同一个模板上一个单相的绕组重叠。

6.如权利要求1所述的无刷电动发电机，其中：

通过用一条线路在电枢的多重转弯处圆周缠绕多次，可形成一条多重曲折线路。

7.如权利要求1所述的无刷电动发电机，其中：

当发生绕组重叠时，所述模板在圆周部位没有支撑部分。

8.如权利要求1所述的无刷电动发电机，其中：

所述模板的所述突起部分之间的间隔与绕丝中一条线的宽度大致相同。

9.如权利要求1所述的无刷电动发电机，其中：

所述绕组包括大致非圆周布局的工作长度区间和大致圆周布局的端点转弯处；

上述端部转弯处位于电枢空气隙外部。

10.如权利要求1所述的无刷电动发电机，其中：

上述线在缠绕上模板绕组之前已被提前压制成矩形横截面。

11.如权利要求1所述的无刷电动发电机，其中：

所述空心电枢由多元相绕组组成，其中的多元相都缠绕到同一个模板上。

12.如权利要求11所述的无刷电动发电机，其中：

所述绕组在端部转弯处重叠缠绕，因而朝向所述电枢空气隙方向的所述端部转弯处比所述模板的工作长度区间厚。

13.如权利要求1所述的无刷电动发电机，其中：

在工作长度区间的所述单相的绕组呈圆周状缠绕，比统一地沿圆周与极距同宽的排列更紧密。

14.如权利要求1所述的无刷电动发电机，其中：

在缠绕所述电枢之前，注模所述模板。

15.如权利要求14所述的无刷电动发电机，其中：

所述模板由热传导聚合物制成。

16.如权利要求1所述的无刷电动发电机，其中：

电枢空气隙是径向的，所述模板包括一个管子。

17.如权利要求1所述的无刷电动发电机，其中：

大直径的模板通过将多个圆弧模板部分组合到一起而形成。

18.如权利要求1所述的无刷电动发电机，其中：

所述电枢由一同步变速电机驱动，所述电机驱动变极器为绕组提供交流电。

19.如权利要求18所述的无刷电动发电机，其中：

所述同步变速电机驱动变极器由无传感的通量向量控制。

20.如权利要求1所述的无刷电动发电机，其中：

所述模板通过一个装置与所述电动发电机的固定部分连接，以允许所述模板相对于所述电动发电机固定部分的热膨胀。

21.用于转换电能和旋转机械能的电动发电机，包括：

一个围绕旋转轴旋转的转子，由两个以一定间距隔开的铁磁转子部件组成，该两个转子部件表面都有永久磁铁，用以驱动磁通量穿过它们之间形成的电枢空气隙；

一个位于上述的电枢空气隙中的电枢，所述电枢由一个大致无磁性并低导电性的模板构成，绕丝就缠绕在该模板上；

所述模板上有一个延伸入上述转子的活动端和与电动发电机固定部分相连的支撑端；

所述绕丝包括多根本身各自绝缘而电并联的导体；

通过将线嵌入所述模板表面的管道中，所述绕丝直接缠绕上所述模板，所述管道不但在缠绕过程中提供位置定位，还为绕组运转提供结构上的支撑。

22.如权利要求21所述的电动发电机，其中：

所述磁通量被驱动轴向通过所述电枢空气隙，所述电枢包括一个盘。

23.如权利要求22所述的电动发电机，其中：

在每一层，所述绕组只缠绕一个单相；一个多元相电枢由多重模板以堆叠的方式组合在一起而成。

24.如权利要求23所述的电动发电机，其中：

所述模板上的孔用来在上述堆叠装置中对准所述模板，因而通过一个适当的角位移，多元相可以恰当地彼此弥补，而堆叠装置中的接合紧固件可以将上述模板牢固地连接在一起。

25.如权利要求23所述的无刷电动发电机，其中：

所述模板上有轴孔，供所述绕组从所述模板上退出，以防止同一个模板上一个单相的绕组重叠。

26.如权利要求21所述的无刷电动发电机，其中：

通过用一条线路在电枢的多重转弯处圆周缠绕多次，可形成一条多重曲折线路。

27.如权利要求21所述的无刷电动发电机，其中：

当发生绕组重叠时，所述模板在圆周部位没有支撑部分。

28.如权利要求21所述的无刷电动发电机，其中：

所述模板的所述管道的宽度与绕丝中一条线的宽度相近。

29.如权利要求21所述的无刷电动发电机，其中：

所述绕组包括大致非圆周布局的工作长度区间和大致圆周布局的端点转弯处；

上述端部转弯处位于电枢空气隙外部。

30.如权利要求21所述的无刷电动发电机，其中：

上述线在缠绕上模板绕组之前已被提前压制成矩形横截面。

31.如权利要求21所述的无刷电动发电机，其中：

所述空心电枢由多元相绕组组成，其中的多元相都缠绕到同一个模板上。

32.如权利要求31所述的无刷电动发电机，其中：

所述绕组在端部转弯处重叠缠绕，因而朝向所述电枢空气隙方向的所述端部转弯处比所述模板的工作长度区间厚。

33.如权利要求21所述的无刷电动发电机，其中：

在工作长度区间的所述单相的绕组呈圆周状缠绕，比统一地沿圆周与极距同宽的排列更紧密。

34.如权利要求21所述的无刷电动发电机，其中：

在缠绕所述电枢之前，注模所述模板。

35.如权利要求34所述的无刷电动发电机，其中：

所述模板由热传导聚合物制成。

36.如权利要求21所述的无刷电动发电机，其中：

所述电枢空气隙是径向的，所述模板包括一个管子。

37.如权利要求21所述的无刷电动发电机，其中：

大模板通过将多个圆弧状模板部分组合到一起而形成。

38.如权利要求21所述的无刷电动发电机，其中：

所述电枢由一同步变速电机驱动，所述电机驱动变极器为绕组提供交流电。

39.如权利要求38所述的无刷电动发电机，其中：

所述同步变速电机驱动变极器由无传感的通量向量控制。

40.如权利要求21所述的无刷电动发电机，其中：

所述模板通过一个装置与所述电动发电机的固定部分连接，以允许所述模板相对于所述电动发电机固定部分的热膨胀。

41.用于转换电能和旋转机械能的电动发电机，包括：

绕旋转轴旋转的转子，由两个以一定间距隔开的转子部件构成，旋转部件中有磁极，驱动磁通量流过它们之间的电枢空气隙；

一个位于上述的电枢空气隙中的电枢，电枢由一个完全无磁性和低导电的模板构成，绕丝就缠绕在该模板上；

模板上有一个延伸入上述转子的活动端和与所述电动发电机固定部分相连的支撑端；

在模板活动端和支撑端之间上有一个较薄的支撑部分，在那里支撑部分表面突起，可以夹紧绕丝并在缠绕过程中提供控制力；

所述模板为所述绕组提供位置和支持，并帮助随后的电磁感应扭矩通过模板上的支撑端在绕组上对电动发电机固定部分的传输，并防止所述绕组在转子转动期间与转子部件接触。

42.如权利要求41所述的电动发电机，其中：

上述的磁通量被驱动轴向穿过所述电枢空气隙，所述电枢包括一个盘。

43.如权利要求42所述的电动发电机，其中：

在每一层，所述绕组只缠绕为一个单相；一个多元相电枢由多重模板以堆叠的方式组合在一起而成。

44.如权利要求43所述的电动发电机，其中：

在上述堆叠装置中，模板上用来对准所述模板的孔，因而通过一个适当的角位移，多元相可以恰当地彼此弥补，而堆叠装置中的接合闭锁装置可以将上述模板牢固地连接在一起。

45.如权利要求43所述的无刷电动发电机，其中：

所述模板上有轴孔，供所述绕组从所述模板上退出，以防止同一个模板上一个单相的绕组重叠。

46.如权利要求41所述的无刷电动发电机，其中：

通过用一条线路在电枢的多重转弯处圆周缠绕多次，可形成一条多重曲折线路。

47.如权利要求41所述的无刷电动发电机，其中：

当发生绕组重叠时，所述模板在圆周部位没有支撑部分。

48.如权利要求41所述的无刷电动发电机，其中：

所述模板的所述突起部分之间的间隔与绕丝中一条线的宽度大致相同。

49.如权利要求41所述的无刷电动发电机，其中：

所述绕组包括大致非圆周布局的工作长度区间和大致圆周布局的端点转弯处；

上述端部转弯处位于电枢空气隙外部。

50.如权利要求41所述的无刷电动发电机，其中：

上述线在缠绕上模板绕组之前已被提前压制成矩形横截面。

51.如权利要求41所述的无刷电动发电机，其中：

空心电枢由多元相绕组组成，其中的多元相都缠绕到同一个模板上

52.如权利要求51所述的无刷电动发电机，其中：

所述绕组在端部转弯处重叠缠绕，因而朝向所述电枢空气隙方向的所述端部转弯处比所述模板的工作长度区间厚。

53.如权利要求41所述的无刷电动发电机，其中：

在工作长度区间的所述单相的绕组呈圆周状缠绕，比统一地沿圆周与极距同宽的排列更紧密。

54.如权利要求41所述的无刷电动发电机，其中：

在缠绕所述电枢之前，注模所述模板。

55.如权利要求54所述的无刷电动发电机，其中：

所述模板由热传导聚合物制成。

56.如权利要求41所述的无刷电动发电机，其中：

电枢空气隙是径向的，所述模板包括一个管子。

57.如权利要求41所述的无刷电动发电机，其中：

大模板通过将多个圆弧模板部分组合到一起而形成。

58.如权利要求41所述的无刷电动发电机，其中：

所述电枢由一同步变速电机驱动，所述电机驱动变极器为绕组提供交流电。

59.如权利要求58所述的无刷电动发电机，其中：

所述同步变速电机驱动变极器由无传感的通量向量控制。

60.如权利要求41所述的无刷电动发电机，其中：

所述模板通过一个装置与所述电动发电机的固定部分连接，以允许所述模板相对于所述电动发电机固定部分的热膨胀。

61.用于转换电能和旋转机械能的电动发电机包括：

绕旋转轴旋转的转子，带有磁极，驱动磁通量流过它们之间的电枢空气隙；

一个位于上述的电枢空气隙中的电枢，电枢由一个大致无磁性和低导电性的模板构成，绕丝就缠绕在该模板上；

所述模板由一个较薄的支撑部分和顺着磁通量方向从支撑部分向外延伸的较厚的突起部分构成；

所述绕丝缠到所述模板上，所述模板通过将绕丝挤过线的直径横截面固定所述绕丝；

所述模板把绕组上的电磁感应扭矩传输到所述电动发电机的固定部分。

62.如权利要求61所述的电动发电机，其中：

所述绕丝包括多根本身绝缘的导线，其中每条线上的导体都电并联，在电枢空气隙中彼此绝缘。

63.如权利要求61所述的电动发电机，其中：

所述模板由模塑制成。

64.如权利要求61所述的电动发电机，其中：

所述模板机械地挤压位于电枢空气隙中的绕组。

65.一种制造电动发电机的方法，所述电动发电机包括一围绕旋转轴旋转的转子，转子中有驱动磁通量流经电枢空气隙的磁极和所述电枢空气隙中的电枢，包括：

选择一个带有管道的电枢绕组模板用来安装绕丝，所述管道包括接纳工作长度绕丝的截面，该绕丝顺磁通量方向垂直伸向所述空气隙，当所述电枢安装上所述电动发电机时，绕组会垂直转子旋转的方向；

将线缠入管道并将线圈或蜿蜒线圈中的线连接到一起，制成所述电动发电机的电枢；

两个同步旋转的转子部件，用绕丝将其相对的面缠绕到一起之后，嵌入模板，其中至少一个面上有磁体；

将电枢的一边与所述电动发电机的固定装配相连接。

66.如权利要求65所述的方法，还包括：

将若干缠绕的模板与相邻模板堆叠，并以X度旋转，这里的X指的是360除以所述电动发电机的相数。

67.如权利要求65所述的方法，还包括：

在缠绕过程中通过压缩所述线，将线挤入所述管道中。

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