CN103931080A - 具有低质量结构的磁性活跃部件的电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电机，其包括；第一磁极（2），第一磁极包括多个层的布置，这些层的布置包括具有总体积Va的磁性活跃层（3）；第二磁极（4），其中第一磁极（2）和第二磁极（4）能够彼此相对运动；和气隙（5），其在平行于这些层中的一个层的方向上从第一磁极（2）的对气隙（5）限界的端部到第二磁极（4）的对气隙（5）限界的端部具有长度lS；作为在电流回路（7）和磁回路（8）之间的耦合元件的电导体（6），其中在运行时刻磁回路（8）包括第一磁极（2）、具有长度lS的气隙（5）和第二磁极（4），它们被共同的有效磁通量穿流以用于电机械能量转换，其中该布置包括具有总体积Vi的磁性非活跃层（9），其具有小于磁性活跃层（3）的平均质量密度，并且基本上通过重复周期p来给定在磁性非活跃层（9）和磁性活跃层（3）的布置中的序列，该周期具有确定的一系列磁性活跃层（3）和磁性非活跃层（9），其中空间分量k满足条件0.5≤k≤0.8。此外，本发明涉及一种磁极部件、一种行驶工具和一种风力发电设备以及一种用于制造电机的方法。

Description

具有低质量结构的磁性活跃部件的电机
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的电机、一种根据权利要求12的前序部分所述的磁极部件、一种行驶工具和一种风力发电设备以及根据权利要求15的前序部分所述的方法。
背景技术
根据权利要求1的前序部分所述的电机能够用作驱动电机或发电机。越来越多地将电机用作驱动电机的理由是：对于常规的内燃机而言，由于化石燃料稀少而必须寻找代替物。在此，作为化石燃料的替代物使用再生能源。因为，再生能源在时间上和位置上不是可持续提供的，必须将可再生能量转换成可运输且可存储的能量形式。在此，作为能量形式使用电能。借助于作为发电机工作的电机能够从再生能源中来获取电能，借助于导线来运输、在电池中缓存并且借助于具有高效率的发动机转化能动能。在此，发电机固定在承载结构中，所述承载结构必须经受住再生能源的自然力。发动机必须是高效的，但是也能够有效地使用在移动应用中。对于将电机用作为发电机或发动机，期望尽可能高的功率密度，因为希望相对于电机质量尽可能高的可输出的功率。因此发电机的质量越小，就能够越低廉地制造承载机座。在如行驶工具中的移动应用中的发动机中，能够通过较小的运动的质量块节约能量进而成本有利地运行行驶工具。
为此，至今为止在电机的磁性活跃部件中通过优化金属板截面几何形状和选择金属板的适当的材料，实现以通常不令人满意的程度降低质量。
因此，在杂志“antriebstechnik（驱动技术）5/2011”第68-70页中由作者Brand、Stahel和Vezzini描述了一种高功率永磁发动机，其中在定子和转子中使用由钴铁材料制成的金属板。该文章主要描述对于更高转距的期望，与具有2.03特斯拉的由硅铁材料制成的金属板相比，所述期望借助由具有2.35特斯拉饱和极化的由钴铁合金制成的金属板来实现。在此，最大转矩能够提高22%。在该文章的最后一段中讨论：代替提高最大转矩，能够在最大转矩相同的情况下降低发动机的体积进而降低发动机的重量。
尽管上述文章描述了钴铁合金由于重量降低而已经在近十年使用在航空工业中，然而通过使用钴铁合金实现的重量降低对应于多种应用而言还不是足够的。
发明内容
因此，本发明的目的在于，改进电机，使得在电机的性能相同的情况下实现进一步降低磁性活跃部件的质量。该目的通过具有根据权利要求1的特征的电机来实现。
根据本发明的电机包括：
-第一磁极，所述第一磁极具有多个层的布置，所述布置包括具有总体积Va的磁性活跃层；
-第二磁极，其中第一磁极和第二磁极能够彼此相对运动，和
-气隙，所述气隙在平行于这些层中的一个层的方向上从第一磁极的对气隙限界的端部到第二磁极的对气隙限界的端部具有长度lS；
-作为在电流回路和磁回路之间的耦合元件的电导体，
其中在运行时刻，磁回路包括第一磁极、具有长度lS的气隙和第二磁极，它们被共同的有效磁通量穿流以用于电机械能量转换，其中布置包括具有总体积Vi的磁性非活跃层，所述磁性非活跃层具有小于磁性活跃层的平均质量密度，并且在磁性非活跃层和磁性活跃层的布置中基本上通过重复周期p来给定序列，所述周期具有确定的一系列的磁性活跃层和磁性非活跃层，其中通过方程
k=Va/（Va+Vi）限定的空间分量k满足条件0.5≤k≤0.8。
电机包括第一磁极。磁极、尤其是第一磁极或第二磁极是在其周围环境中磁场强度尤其高的位置。这由此来实现，即磁极包括永磁体或包括比磁极周围导磁更好的材料来实现。因此优选地，第一磁极或者还有第二磁极包括铁磁材料、例如铁、钴、镍或铁氧体，以便在磁极中集中磁场。铁磁材料的相对磁导率明显大于1。铁氧体例如具有为4的相对磁导率。优选地使用铁的原因在于：铁具有大于300的相对磁导率。通常，对于磁极应用具有特殊特性的铁材料、例如铁硅合金或铁钴合金。此外，磁极能够借助于通电的线圈来产生。
第一磁极包括多个层的布置，所述布置包括磁性活跃层。磁性活跃层理解为包括铁磁材料的层。层中的布置是有利的，以便在磁通量快速改变的情况下在第一磁极或也在第二磁极中避免涡流损耗。
因为通过电机能够进行电机械能量转换，所以电机包括至少一个第一和第二磁极，这些所述磁极能够彼此相对运动并且通过气隙间隔开。
此外需要至少一个电导体作为存在于电流回路和磁回路之间的耦合元件。
特别地，电导体包括多个线匝，因此在电流回路和磁回路之间存在更高的耦合。磁回路在运行时刻包括第一磁极、具有长度lS的气隙和第二磁极，它们被全部有效磁通量穿流以用于电机械能量转换。
电导体尤其以线匝形式例如包围第一磁极或第二磁极。线匝是绕组的组成部分。
电机优选包括另外的磁极。因此，能够围绕另外的磁极引导绕组。绕组能够构成为分散的绕组或者构成为集中的绕组。此外，集中的绕组具有其相对于分散的绕组要求较少的结构空间的优点。
第一磁极或第二磁极尤其是以相对于另外的磁极的方式布置，即第一磁极的或第二磁极的磁性活跃层位于具有另外的极的磁性活跃层的平面中。
如果第一磁极设计为齿，那么集中的绕组设计为齿线圈。应用齿线圈的优点是：将第一磁极与设计为齿的另外的磁极连接的磁轭比第一磁极的或另外的磁极的齿设计得更薄。因此，需要少量的磁性活跃材料。
在分散的绕组中，一个极具有由绕组包围的至少两个齿。
当第二磁极与另外的磁极连接时，上述内容类似地也适用于第二磁极。
如果第一或第二磁极与另外的齿连接，那么在两个齿之间的间隙中能够布置有两个不同的齿线圈（双层绕组）或者仅一个齿线圈（单层绕组）的电导体。
第一磁极能够是定子的组成部分，并且第二磁极能够是转子的组成部分。第一磁极和第二磁极通过长度为lS的气隙彼此隔开；在此，长度lS沿着平行于从第一磁极的对气隙限界的端部到第二磁极的对气隙限界的端部的多个层中的一个层的方向测量。特别地，第一磁极的对气隙限界的端部是第一边界面，所述第一边界面对第一磁极进行限界，并且第二磁极的对气隙限界的端部是第二边界面，所述第二边界面对第二磁极进行限界。气隙lS的长度因此给出作为第一边界面到第二边界面的间距。第一磁极和第二磁极因此彼此相对地安置，使得其在将电机设计为直线机器的情况下能够通过长度为lS的气隙隔开地在平面中或在直线上彼此相对地移动进而运动。在将电机设计为旋转电机的情况下，转子在大多数情况下与定子同心地可转动地安置。定子在此能包括第一磁极并且转子包括第二磁极。也可行的是，转子包括第一磁极并且定子包括第二磁极。如果这样构造定子或转子，使得其具有机械压制的极，那么当第一和的第二磁极彼此对置使得其在运行时刻能够由共同的有效磁通量穿流时才能够测量具有长度lS的气隙。
在根据本发明的电机中，与教义不同的是，尽可能大地选择空间分量k（0.95…0.98），并且通过选择相应的材料而尽可能高地构成饱和极化。因此尝试：尽可能紧凑地构造电机，以便在性能相同时、尤其在力输出量相同的情况下实现降低重量。然而在根据本发明的电机中已知：在磁性活跃层的间距方面明显紧凑度较低的结构仅引起性能的少量下降，相反，能够实现电机的磁性有缘部件的质量的显著降低。基本上通过重复周期p以其序列布置的磁性活跃层和磁性非活跃层与用于空间分量k的条件相结合，令人惊讶地实现：达到与在电机的磁性活跃部件的结构紧凑的情况下几乎同样大的有效磁通量。其中基本上表明：在层的布置的序列中有局部偏差的情况下，出现性能的少量下降。层的序列中的涉及直至20%的层的偏差是局部的偏差。
通过选择磁性活跃层的第一材料和磁性非活跃层的第二材料来实现降低质量，其中所述第二材料具有小于第一材料的平均质量密度。根据本发明由此实现降低质量，即由第二材料构成的磁性非活跃层具有在电机的磁性活跃部件的体积方面的显著份额。因为磁性非活跃层或磁性活跃层也能够非均质地构造，所以考虑体积Va和Vi的平均质量密度。
本发明的有利的设计方案在从属权利要求中说明。
因此特别地，本发明的一个设计方案是有利的，其中磁性活跃层具有厚度bAi，所述厚度基本上全部满足条件bAi≤lS/4…lS/20。在该条件下由此出发，即当在不同的磁性活跃层上平行于所述层地测量长度lS时，其仅具有较小的偏差，以至于对于长度lS而言能够将长度lS的平行于磁性活跃层测量的数值的平均长度lS用于该条件。在具有可运动磁极的电机中，通常本领域技术人员寻求构成可运动的磁极之间的具有尽可能恒定长度的气隙的长度，以便实现最佳的运行方式。
如果磁性活跃层的厚度bAi满足所述条件，那么在性能仅少量降低的情况下，实现将电机质量相对于电机的磁性活跃部件的紧凑结构显著降低，特别地，能够通过适当地选择长度lS的特定的部分值、例如长度lS的从1/4至1/20的一小部分，在厚度bAi的条件中改进电机的或应用的质量降低或其的机器类型的在此出现的性能降低。
磁性活跃层能够在厚度bAi中彼此例如偏差至±20%，而这没有导致对本发明的作用的明显影响。
上述内容同样适用于磁性非活跃层。
在本发明的另一有利的设计方案中，在气隙中，将永磁体布置在第二磁极的对气隙限界的端部处，所述永磁体包括第一永磁体极和第二永磁体极，其中永磁体的第一永磁体极朝向第二磁极的限界的端部。因此，永磁体的第二永磁极在运行时刻朝向第一磁极的对气隙限界的端部。永磁体有利地固定在第二磁极上。这设计为力传递或形状配合的连接或者这两种连接类型的组合。节约空间的连接是将永磁体固定在第二磁极的对气隙限界的表面上。
附加地，具有永磁体的设计方案除了将永磁体使用在电机械能量转换中的有利效果之外，提供能够有效地将第一和第二磁极之间的气隙选择得更大的效果。因为永磁体在其相对磁导率方面几乎表现如介质空气，所以这样确定气隙的长度lS，即假设在不存在永磁体的情况。
因此，永磁体的应用实现了磁性活跃层的更大的厚度bAi。此外，也能够更厚地设计磁性非活跃层。这引起，在制造根据本发明的电机时，实现更高的相对精度，并且各个层本身具有更高的稳定性并且在制造中能够更加简单地进行操作。
在本发明的另一有利的设计方案中，磁性非活跃层是间隔件。间隔件有利地电绝缘地设计。间隔件能够包括导电部件以用于机械增强，因为一定程度上可能在磁性活跃层之间点状地出现导电连接，而并不使电机的特性变差。
可以这样设计间隔件，即其非完全地填充磁性活跃层之间的空间，使得所述间隔件在磁性非活跃层中形成例如通道形式的空腔。因此，例如为气体或液体的流体能够流过间隔件之间以用于冷却电机。因此，根据本发明的电机在性能相同的情况下具有更小的质量，并且提供理想的冷却可行性。流体有利地能够冷却绕组，所述绕组例如围绕第一磁极或围绕第二磁极布置。当定子包括具有间隔件的根据第一磁极的磁极时，流体能够穿过空腔到达至转子，其中所述间隔件非完全地填充磁性活跃层之间的空间。
当间隔件完全地填充磁性活跃层之间的空间时，能够实现高稳定性。间隔件是磁性非活跃层，所述磁性非活跃层能够布置为齐平于磁性活跃层的置于气隙处的端部。
全部所说明的间隔件能够设计为中间板、仪表板、薄片或间隔薄片。特别地，这就是说，能够对间隔件的表面相应地进行结构化，以便实现更好的冷却作用或间隔件的更好的稳定性。在质量小的情况下，尤其通过由玻璃纤维强化的塑料（GFK）或碳纤维强化的塑料（CFK）构成的间隔件来实现高稳定性。
在本发明的另一有利的设计方案中，磁性活跃层固定在磁性非活跃层上。由此，将磁性活跃层上的力的作用导入到磁性非活跃层中，并且从那里导入到转子的或定子的另外的结构中。因此，已经能够将力在第一磁极的对气隙限界的端部出导入到磁性非活跃层中。单独的磁性活跃层因此能够具有较小的稳定性，因为力已经能够在对气隙限界的端部处传递到磁性活跃层上。力的传递能够形状配合地例如通过相应成型的表面或结构化的表面在磁性非活跃层或磁性活跃层中进行。磁性活跃层还有磁性非活跃层也能够具有相应结构化的表面，所述表面能够彼此卡住。也能够以力传递地实现将磁性活跃层固定在磁性非活跃层上。力传递的固定也能够结合所描述的形状配合的固定来应用。磁性活跃层也能够粘贴到磁性非活跃层上。尤其有利的是，磁性非活跃层和磁性活跃层大面积地相对设置。然后因此能够应用适宜的固定机构，所述固定机构局部地确保少量的固定但是在大面积上还确保充分的固定。
当将磁性活跃层固定在磁性非活跃层上时，磁性活跃层能够非常薄地设计。这实现以改进的方式抑制涡流。由于所述磁性活跃层由于其在磁性非活跃层上的固定而采用磁性非活跃层的形状，因此薄磁性活跃层也是可行的。
优选地，在此也能够为磁性非活跃层应用玻璃纤维强化的塑料（GFK）或碳纤维强化的塑料（CFK）。这实现与承载结构、例如在轻质结构中也由该参量制成的壳体或行驶工具底盘的有利的连接。
在本发明的另一有利的设计方案中，磁性非活跃层通过梳状结构与承载结构和/或至少一个另外的磁极连接。承载结构尤其是定子的或转子的组成部分。具有承载结构的梳状的连接实现承载结构和磁性非活跃层之间的大面积的连接，所述磁性非活跃层实现非常良好的力传递，所述力作用到磁性非活跃层上，而不应用高成本的连接机构。
第一磁极与另一磁极的梳状连接实现的是：制造各个磁极，并且所述磁极根据电机对定子和转子的要求通过梳状的连接来相互连接。
在旋转电机中，磁极形成回路或者所述磁极多边形地模拟所述回路。除各个磁极彼此间的梳状的连接之外，附加地，连续的环能够将磁极保持在其位置中。
在本发明的另一有利的设计方案中，电机包括具有第一磁极的定子和具有第二磁极的转子。通过定子磁极中的至少一个的第一磁极形式的根据本发明的实施方案，降低了定子的质量。在其定子在磁性活跃部件上具有最大质量的电机中，这是尤其有利的。如果定子的全部磁极和磁性活跃的部件的全部剩余部件、例如定子的磁轭，与层相关地如第一磁极那样构成，那么获得极其低质量的定子。
区段状结构的定子也是有利的，其中定子的磁极梳状地彼此连接。定子在此由单个区段构成。分区段的定子的优点在于：例如在旋转电机中，定子不必连续地沿着机器周向设计。定子能够具有槽，这尤其在移动应用中能够用于优化结构空间。
在本发明的另一有利的设计方案中，电机包括具有第一磁极的转子和具有第二磁极的定子。在该实施形式中，转子具有小惯性力矩，因为转子的至少一个磁极如第一磁极那样设计。在此，当转子的全部磁极如第一磁极那样设计且转子的全部磁性活跃部件、例如转子的磁轭如第一磁极相对于层那样设计时，才达到在本发明范畴中的最小的惯性力矩。具有小惯性力矩的转子的实施形式尤其对于需要高的加速度的应用是令人关注的。
在本发明的另一有利的设计方案中，电机是直线电机。在直线电机中，定子在一个平面中相对于转子运动。在直线电机中也可行的是，转子在一个平面中相对于定子运动。直线电机的转子和定子之间的区别特征通常是其不同的质量。为了简单地构成转子，在多种应用中定子相对于转子运动。在此有利的是，定子包括第一磁极，以便在性能几乎未改变的情况下降低运动的质量。由此达到更高的加速度。
在本发明的另一有利的设计方案中，电机是旋转电机。在旋转电机中，转子相对于定子旋转。转子具有旋转轴线，所述转子在旋转电机运行时围绕所述旋转轴线转动。转子关于旋转轴线安置在定子中。在转子磁极和定子磁极之间存在气隙lS。转子的旋转轴线尤其设计为轴，使得电机输出动能，或者能够通过由外部力产生的转子转动来产生电能。
旋转电机的定子和转子也能够通过适合于直线电机的区段构成。因此，区段部分地或完全多边形地模拟定子的或转子的弯曲的形状。
所描述的有利的设计方案和下面还详述的有利的设计方案能够任意地相互组合。
因此，在本发明的一个有利的设计方案中，定子的和转子的一些或全部磁极根据所说明的条件如根据本发明的第一磁极那样设计为磁性活跃的和非活跃的层。因此，得到低质量的电机，所述电机几乎具有与带有紧凑结构的磁性活跃部件的电机相同的性能。
当电机具有根据权利要求所述的设计方案的特征时，本发明能够与旋转电机或直线电机的所基于的作用原理和结构无关地设计。旋转电机和直线电机的实例是异步电机、同步电机和换向电机。此外，在旋转电机中，例如内转子机器或外转子机器作为结构形式是可行的。因此，定子例如能够与多于一个的转子共同作用。同样地，本发明能够在交流电机或直流电机中实施。
此外，本发明、尤其是其设计方案能够有利地与从现有技术中已知的、用于对电机减重的可行性进行组合。所述可行性例如是优化的、具有高饱和极化的磁性活跃材料或金属板片。
所述目的也通过用于用作电机的第一磁极的磁极部件来实现。
根据本发明的磁极部件包括多个层的布置，所述布置包括具有总体积Va的磁性活跃层，其中布置包括具有总体积Vi的磁性非活跃层，所述磁性非活跃层具有小于磁性活跃层的平均质量密度，并且在磁性非活跃层和磁性活跃层的布置中基本上通过重复周期p来给定序列，所述周期具有确定的一系列的磁性活跃层和磁性非活跃层，其中通过方程
k=Va/（Va+Vi）限定的空间分量k满足条件0.5≤k≤0.8。
磁极部件的优点和作用结合根据本发明的电机来描述，因为磁极部件适合于针对电机的第一磁极来应用。
所述目的也通过一种行驶工具来实现，所述行驶工具包括根据本发明的电机。
根据本发明的行驶工具、尤其是陆上行驶工具、水上行驶工具和空中行驶工具包括根据本发明的尤其是所描述的设计方案的不同组合中的电机。因此，行驶工具针对所驶过的路段具有低能量消耗，所以尝试将行驶工具的质量保持得尽可能低。行驶工具的驱动器通常这样设计，使得其主要在其标称负荷中运行。根据本发明的电机的使用实现了在行驶工具中在驱动功率相同的情况下降低质量。
根据本发明的电机尤其有利地能够使用在行驶工具中，其中以大约高于标称负荷20%的最大负荷使用电机。在超过标称负荷多于20%的负荷的情况下，根据本发明的电机也还能够有利地使用在行驶工具中。然而，电机的负荷不应当超过双倍的标称负荷。
在例如是机动车的行驶工具中，极其频繁地对主驱动器加载交替的负荷。因此行驶工具例如在高交通流量的情况下或者在城市中由于交通灯切换而频繁地加速并且再次制动。最常应用的机动车总是还具有内燃机。内燃机相对于电机在行驶工具启动时具有较小的加速力。交通参与者习惯具有内燃机的行驶工具的行驶性能。在根据本发明的行驶工具中已知的是，在电机中的更小的最大负荷在交通参与者中并不产生认可问题。与此相应，尤其有利的是，能够在机动车中使用根据本发明的电机。
在轨道联接的行驶工具、水上行驶工具或空中行驶工具中，行驶工具的驱动器主要加载恒定的负荷。因此，在根据本发明的行驶工具中在此能够通过使用根据本发明的电机进行质量方面的高度降低。
在本发明的另一有利的设计方案中，行驶工具、尤其是陆上行驶工具、水上行驶工具或空中行驶工具包括根据本发明的电机作为混合驱动器的一部分。在此，根据本发明的电机用作主驱动器。当行驶性能需要电机加载高于标称负荷20%的或双倍的标称负荷时，能够通过另一驱动器承担更多负荷。
在本发明的另一有利的设计方案中，行驶工具、尤其是陆上行驶工具、水上行驶工具或空中行驶工具包括直接驱动器，所述直接驱动器包括根据本发明的电机。电机包括驱动轴，所述驱动轴与转子连接且直接与行驶工具的从动轴耦联以用于使行驶工具运动，这特别地就是说，从动轴和驱动轴以相同转数转动。特别地，将转子固定在驱动轴上。通过根据本发明避免传动机构连接本发明的电机，因此降低行驶工具的质量进而行驶工具的能量消耗下降。
在本发明的另一有利的设计方案中，行驶工具、尤其是陆上行驶工具、水上行驶工具或空中行驶工具包括根据本发明的电机、尤其在所描述的设计方案的不同的组合形式中作为辅助驱动器，其例如用于车窗提升器或冷却装置。由于存在于行驶工具中的辅助驱动器非常小，总体上在根据本发明的行驶工具中可以实现显著的重量节约。
本发明的目的也通过一种具有根据本发明的电机的风力发电设备来实现。
根据本发明的风力发电设备包括根据本发明的电机，尤其在所描述的设计方案的不同的组合形式中包括根据本发明的电机。此外，根据本发明的风力发电设备包括翼片，所述翼片与电机的转子机械地耦联。在风力发电设备中，桅杆必须借助其承载结构在风力和弯曲负荷全部出现时可靠地在桅杆的上端部处承载质量，而在桅杆上不会出现损坏。因此寻求，将桅杆端部上的负载保持得小。但是另一方面，希望将大型发电机安置在桅杆端部上，以便从风力设备中获取尽可能多的电能。因此，与具有低发电机功率的非常小的风力发电设备相比，设计具有高发电机功率的大型风力发电设备是成本适宜的。在根据本发明的风力发电设备中，在桅杆端部上的质量相同的情况下提供更高的发电机功率。转子中应用在其结构方面对应于第一磁极结构的磁极具有下述特别的优点：风力必须通过低质量的转子使更小的质量运动，以便使翼片处于运动中。
此外，本发明的目的通过一种用于制造电机的方法来实现。
用于制造电机的根据本发明的方法包括，
-选择具有小于磁性活跃层的平均质量密度的磁性非活跃层，
-根据条件0.5≤k≤0.8来确定空间分量k，
-确定周期p的一系列的磁性非活跃层和磁性活跃层，和
-基本上通过重复周期p来确定包括磁性活跃层和磁性非活跃层的布置。
根据本发明，该方法实现电机的制造，在性能与具有紧凑结构的磁性活跃部件的电机相比少量降低的情况下，所述电机具有磁性活跃部件的质量的显著下降。
通过选择用于磁性活跃层的第一材料和用于磁性非活跃层的、平均质量密度小于第一材料的第二材料，实现质量的降低。根据本发明由此实现质量的降低，即由第二材料制成的磁性非活跃层具有占电机的磁性活跃层的体积的显著份额。因为磁性非活跃层或磁性活跃层也能够非均质地设计，所以考虑平均质量密度Va和Vi。
在用于制造电机的方法的另一有利的设计方案中，确定磁性活跃层（3）的厚度bAi，从而满足条件bAi≤lS/4…lS/20。
如果磁性活跃层的厚度bAi被确定为使得其满足所述条件，那么在性能少量降低的情况下实现电机质量相对于电机的结构紧凑的磁性活跃部件的显著降低，特别地，能够通过适当地选择长度lS的特定的部分值、例如lS的从1/4至1/20的一小部分在厚度bAi的条件中改进电机的或应用的质量降低或其机器类型的性能的在此出现的降低。
附图说明
下面，根据在附图中示出的实施例详细描述和阐明本发明。
图1示出包括第一磁极的电机的一个实施方案，
图2示出沿着图3的线II-II的横截面，
图3示出作为直线电机的电机的一个实施方案，
图4示出根据本发明的直线机器与现有技术中的直线机器关于在所测量的电流中的所测量的发动机力方面的对比，
图5示出具有间隔件的电机的一个实施方案，所述间隔件部分地填充磁性活跃层之间的空间，
图6示出第一磁极和另一磁极的一个实施方案，
图7示出作为旋转电机的电机的一个实施方案，
图8示出沿着图7中的旋转电机的线VII-VII的横截面，
图9示出磁极的一个实施方案，
图10示出风力发电设备的一个实施方案，
图11示出尤其在标称电流的情况下的标称力对于根据本发明的实施方案的电机与现有技术的电机的对比。
具体实施方式
图1示出电机1的一个实施方案，所述电机包括第一磁极2。第一磁极2具有多个层的布置，所述层包括磁性活跃层3和磁性非活跃层9，其中磁性非活跃层9具有小于磁性活跃层3的平均质量密度。多个层的布置具有周期p。周期p具有确定的一系列磁性活跃层3和磁性非活跃层9。在图1中，周期p始于两个彼此紧随的磁性活跃层3并且终止于磁性非活跃层9。多个层的布置基本上是重复周期p的。能够从磁性活跃层3的总体积VA和磁性非活跃层9的总体积Vi中计算出的空间分量k在图1中应当为三分之二。磁极2与第二磁极4相对置，从而构成气隙5。气隙5具有长度lS，在平行于这些层中的一个层的方向上从第一磁极2的对气隙5限界的端部到第二磁极4的对气隙5限界的端部测量所述长度。图1示出：磁性非活跃层9设计齐平于磁性活跃层3的置于气隙5处的端部，并且为这些层的整体布置限定长度lS。此外，根据图1的电机包括在作为在电流回路7和磁回路8之间的耦合元件的电导体6。电机6优选包括包围第一磁极2的线匝。图1示出运行时刻的电机1，磁回路8在所述运行时刻包括第一磁极2、具有长度lS的气隙5和第二磁极4，它们被共有的有效磁通量穿流以用于电机械能量转换。如果电机是发动机，那么通过在电流回路7中流动的电流在发动机运行时产生磁通量。磁通量引起第一磁极和第二磁极彼此相对运动。因此实现将电流回路7中存在的电能到机械能的电机械能量转换，通过第一磁极2和第二磁极4的相对运动而存在该机械能。
如果电机1用作为发电机，那么通过第一磁极2相对于第二磁极4的相对运动引起共同的磁通量。磁通量然后引起电流在电流回路7中流动。因此，在该情况下，将第一磁极2相对于第二磁极4运动的动能转换成电流回路7中的电能。
在根据图1的实施方案中，未按比例地再现了磁性活跃层3的厚度bAi满足条件bAi≤lS/4…lS/20。满足条件例如表示bAi和bAi+2都满足条件。
电机1，51，101的一个实施方案是根据图2和3的直线机器。图3示出，直线电机31包括定子32和转子33。定子32包括多个磁极，其结构相应于第一磁极2。磁性活跃层3根据图3通过一体地构成定子磁轭35和多个齿部34的金属板形成。在以第一磁极2类型形成磁极的齿34上固定有齿线圈36。在图3中示例地绘制磁线圈36。为了实现磁流的一定分布，齿34中的一些不能够具有齿线圈36。根据图2和3的实施方案中的电导体6相应于齿线圈36的线匝。
根据图2和3的直线机器31的转子33包括第二磁极4类型的多个磁极，所述磁极通过转子磁轭33彼此连接并且包括永磁体20。永磁体20以其永磁极中的一个（北极或南极）邻接于转子磁轭39的上端部。从转子磁轭39的所述上端部至齿34的自由端部测量气隙lS。对于不同齿34测量的长度lS基本上是相同的。这表示：不同测量的lS的偏差对于直线机器31的功率特性不具有显著的作用。
图4针对根据本发明的实施方案的直线机器31作为具有测量点的实线42和针对从现有技术中已知的直线机器作为具有测量点的虚线41示出所测量的发动机力与供电电流的相关性。
所应用的根据本发明的实施方案的直线机器31以简单的方式设计为由三相直线发动机的标准部件组成的实验室样品。因此，磁性非活跃层9仅是金属的间隔件。金属的间隔件通过弯曲定子32在一些端部上的金属板来产生，从而将磁性活跃层9设计为空腔。在直线机器31中-如图2中示出-对于一个周期p而言彼此叠加地排列厚度为0.5mm的两个金属板并且紧接于此形成厚度为0.5mm的空腔。长度lS为6mm，其中根据本发明的一个设计方案，永磁体20布置在气隙内部。永磁体20具有4mm的高度。
如从现有技术中已知的，直线机器以与直线机器31相同的方式构成，其中金属板不被弯曲进而代替磁性非活跃层9而使用金属板。因此，根据现有技术的直线机器的定子具有现有技术中所追求的且通常较厚的板叠。
两个直线机器的齿线圈36如从现有技术中已知的三相直线机器中那样互联。
为了根据图4进行测量，两个发动机分别供应有以Aeff测量的供应电流I并且借助力测量盒测量以牛顿为单位的发动机力F测量。
随着供应电流的上升，根据本发明的实施方案的直线电机31具有比现有技术中的类似的直线机器更小的发动机力。但是因此，发动机力的损失相对于现有技术中的直线机器而言较小。
图11表明发动机力的损失较小。图11示出发动机力参照现有技术中的直线机器的标称发动机力的关系。标称发动机力对应于直线机器的额定负荷，并且通常能够通过与额定速度相乘换算成标称功率。标称电流是当直线机器构成其标称发动机力时流动的供应电流。
虚线111和虚线上的标称点110属于现有技术中的直线机器。具有标称点115的点划线114属于与现有技术的直线机器结构相同的直线机器，其中活跃的轨距bS（见图2）相对于通过虚线111描述的直线机器的活跃的轨距降低到大约67%。所述直线机器具有减小了67%的质量。因此，能够满足更小质量的需求，然而标称力降低到现有技术中的原始的直线机器的67%。
在作为实验室样品的根据本发明的实施方案的直线机器31中，标称发动机力相对于现有技术中的直线机器了降低小于10%。因此，在作为实验室样品的根据本发明的实施方案的直线机器31中实现质量降低了33%，而没有显著地降低发动机标称力。
图5示出电机51的磁性非活跃层9的一个替选的实施方案，其中磁性非活跃层9是间隔件52。在此有利的是，将间隔件52布置在第一磁极2的对气隙5限界的端部附近，以便降低第一磁极2的端部弯曲的可能性。为了达到间隔件52的限定的位置，所述间隔件能够布置为齐平于磁性活跃层3的置于气隙5处的端部。因为第一磁极2是稳定的构成物，所以间隔件52能够固定在磁性有源层3上。
为了还更好地保护磁性活跃层3防止弯曲，能够在层的全部方向上优选均匀间隔地安置另外的间隔件52。
间隔件52的扩展垂直于图5的绘图平面，这就是说，其在平行于磁性活跃层3伸展的并且不指向气隙方向的一个方向或方向中的一个上能够设计得比磁性活跃层3更短。这实现：例如空气或水的流体为了冷却能够沿平行于层中的一个的方向到达至第二磁极4。因此，不仅能够冷却第一磁极2，而且也能够冷却第二磁极4。间隔件52能够点状地或以与磁性活跃层3的极其小的接触面构成，使得在平行于这些层的全部方向上能够流动用于冷却的流体。
图6示出第一磁极2和第二磁极64的实施方案。磁性活跃层3固定在磁性非活跃层9上。固定能够通过磁性活跃层3的表面和磁性非活跃层9的表面之间的粘结剂来进行。由于面积大，可以将磁性活跃层3持久地且平面地固定在磁性非活跃层9上。磁性非活跃层9将作用于磁性活跃层3上的力的大部分导入到承载结构61中。为了确保将磁性非活跃层9固定在承载结构61上，并且将作用到磁性非活跃层9上的力导入到磁性承载结构61中，应用梳状结构62。
第一磁极2和另一磁极64之间的连接通过梳状结构63实现。
梳状结构62，63能够单独地通过形状配合实现第一磁极2和另一磁极64之间的或磁性非活跃层9和承载结构61之间的连接。根据需求，通过梳状结构62或63由力传递的结构能够辅助连接。这尤其能够是粘结剂或具有一定粗糙度的表面结构。
图7示出旋转电机71，所述旋转电机71包括定子32和转子33。定子磁轭35、齿34、转子磁轭39和永磁体20的布置或永磁体20本身在形状和功能方面匹配于旋转电机71的设计。
图8示出沿着线VIII-VIII的旋转电机71的横截面。转子33在旋转机器71中可围绕旋转轴线81转动地安置。特别地，轴沿着旋转轴线81延伸，所述轴经由轴承支撑在旋转电机71的壳体上。
如果旋转电机71作为发电机运行，那么经由轴将转矩传递到转子33上。转子33通过定子32的磁极中的永磁体20产生有效磁通量，所述磁极具有如第一磁极2的结构。转子32的单独的或多个磁极由电导体6、尤其作为例如呈齿线圈形式的线匝来包围。通过围绕旋转轴线81转动转子33，定子32的一个或多个磁极中的有效磁通量经受变化。该变化在电导体6中产生电流，使得在电流回路7中存在电能。
在作为发动机的旋转电机71运行时，在定子32的如第一磁极2构成的磁极中通过电导体6中的电流产生交替的有效磁通量。交替的有效磁通量引起转子33围绕旋转轴线81转动并且将转矩输出给与转子33固定连接的轴上。因此，将电能转换成机械能。
图9示出用于用作为用于电机1，51，101的第一磁极2的磁极部件92的一个实施方案。磁极92包括多个层的布置。所述层包括磁性活跃层93和磁性非活跃层99，其中磁性非活跃层99具有小于比磁性活跃层93的平均质量密度。这些层的布置具有周期p。周期p具有确定的一系列的磁性活跃层93和磁性非活跃层99。在图1中，周期p始于两个彼此紧随的磁性活跃层93并且终止于磁性非活跃层99。这些层的布置基本上是重复周期p的。能够从磁性活跃层3的总体积VA和磁性非活跃层9的总体积Vi中计算出的空间分量k在图11中应当为三分之二。磁极92例如适合于用作为直线机器31和旋转机器71中的第一磁极2。
图10示出包括桅杆102的风力发电设备104，所述桅杆承载电机101。电机101是旋转电机，所述旋转电机103与翼片100机械地耦联。当风使翼片100运动时，通过机械耦合将旋转运动传递到转子33，103上。电机1，51，101通过转子33，103的运动产生电能。风力发电设备104能够根据现有技术配置。这表示，在转子33，103上耦联有多个翼片100，以便能够最佳地使用风力。此外，电机1，51，101也能够在桅杆102的端部上安置在风力发电设备中常见的吊舱中。在一个根据本发明的实施方案中构成电机1，51，101的由风力发电设备104承载的定子32。因此，定子32具有相对于现有技术降低的质量。因此，必须针对更小的静力或动力设计风力发电设备104的机械结构。这具有下述优点，风力发电设备104能够更成本适宜地和/或以稳定性方面更高的可靠性来制造。如果转子33，103的磁极根据本发明如第一磁极那样设计，那么转子33，103具有更小的惯性力矩，使得其已经能够在风力较小的情况下转于旋转中。因此，能够借助根据本发明的实施方案的风力发电设备将风能有效地转换成电能。
根据本发明的实施方案的行驶工具是包括根据本发明的电机1，51，101的陆上行驶工具、水上行驶工具和空中行驶工具。行驶工具中的例如用于车床提升器或冷却装置的辅助驱动器配设有根据本发明的电机1，51，101。此外，行驶工具通过根据本发明的电机1，51，101来驱动，以便使行驶工具转入运动中并且保持该运动。
在行驶工具的一个实施方案中，根据本发明的电机1，51，101是行驶工具的基本上单独地做功的主驱动器，以便将行驶工具置于运动中并且保持该运动。
在根据本发明的行驶工具的另一实施方案中，行驶工具是陆上行驶工具、水上行驶工具和空中行驶工具，所述行驶工具具有根据本发明的电机作为混合驱动器的一部分。

Claims (16)

1.一种电机（1，51，101）包括：
-第一磁极（2），所述第一磁极具有多个层的布置，所述布置包括具有总体积Va的磁性活跃层（3）；
-第二磁极（4），其中所述第一磁极（2）和所述第二磁极（4）能够彼此相对运动，和
-气隙（5），所述气隙在平行于这些所述层中的一个层的方向上从所述第一磁极（2）的对所述气隙（5）限界的端部到所述第二磁极（4）的对所述气隙（5）限界的端部具有长度lS；
-作为在电流回路（7）和磁回路（8）之间的耦合元件的电导体（6），
其中在运行时刻，所述磁回路（8）包括所述第一磁极（2）、具有所述长度lS的所述气隙（5）和所述第二磁极（4），所述第一磁极、所述气隙和所述第二磁极被共同的有效磁通量穿流，以用于电机械能量转换，
其特征在于，所述布置包括具有总体积Vi的磁性非活跃层（9），所述磁性非活跃层具有小于所述磁性活跃层（3）的平均质量密度，并且基本上通过重复周期p来给定在所述磁性非活跃层（9）和所述磁性活跃层（3）的所述布置中的序列，所述周期具有确定的一系列的所述磁性活跃层（3）和所述磁性非活跃层（9），其中通过方程k=Va/（Va+Vi）限定的空间分量k满足条件0.5≤k≤0.8。
2.根据权利要求1所述的电机（1，51，101），其中，所述磁性活跃层（3）具有厚度bAi，所述厚度基本上全部满足条件bAi≤lS/4…lS/20。
3.根据权利要求1或2所述的电机（1，51，101），其中，在所述气隙（5）中，在所述第二磁极（4）的对所述气隙限界的所述端部处布置有永磁体（20），所述永磁体包括第一永磁体极和第二永磁体极，其中所述永磁体的第一永磁体极朝向所述第二磁极（4）的限界的所述端部。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电机（1，51，101），其中，所述磁性非活跃层（9）是间隔件（52）。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电机（1，51，101），其中，所述磁性活跃层（3）固定在所述磁性非活跃层（9）上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电机（1，51，101），其中，所述磁性非活跃层（9）通过梳状结构（62，63）与承载结构（61）和/或至少一个另外的磁极（64）连接。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电机（1，51，101），其中，所述磁性非活跃层（9）非完全地填充所述磁性活跃层（3）之间的空间，或者所述磁性非活跃层（9）布置为齐平于所述磁性活跃层（3）的置于所述气隙（5）处的所述端部。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电机（1，51，101），所述电机包括具有所述第一磁极（2）的定子（32）和具有所述第二磁极（4）的转子（33）。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的电机（1，51，101），其中，所述电机包括具有所述第一磁极（2）的转子（33）和具有所述第二磁极（4）的定子（32）。
10.根据权利要求8或9所述的电机（1，51，101），其中，所述电机（1，51，101）是直线电机（31）。
11.根据权利要求8或9所述的电机（1，51，101），其中，所述电机（1，51，101）是旋转电机（71）。
12.一种磁极部件（92），应用作为用于根据权利要求1至11中任一项所述的电机（1，51，101）的第一磁极（2），所述第一磁极具有多个层的布置，所述布置包括具有总体积Va的磁性活跃层（93），其特征在于，所述布置包括具有总体积Vi的磁性非活跃层（99），所述磁性非活跃层具有小于所述磁性活跃层（93）的平均质量密度，并且基本上通过重复周期p来给定在所述磁性非活跃层（99）和所述磁性活跃层（93）的所述布置中的序列，所述周期具有确定的一系列的所述磁性活跃层（93）和所述磁性非活跃层（99），其中通过方程k=Va/（Va+Vi）限定的空间分量k满足所述条件0.5≤k≤0.8。
13.一种行驶工具，包括根据权利要求1至11中任一项所述的电机（1，51，101）。
14.一种风力发电设备（104），包括根据权利要求11所述的电机（1，51，101），所述风力发电设备包括翼片（100），所述翼片与所述电机（1，51，101）的所述转子（33，103）机械地耦联。
15.一种用于制造根据权利要求1至11中任一项所述的电机（1，51，101）的方法，其特征在于，
-选择具有小于所述磁性活跃层（3）的平均质量密度的磁性非活跃层（9），
-根据所述条件0.5≤k≤0.8来确定空间分量k，
-确定周期p的一系列的所述磁性活跃层（93）和所述磁性非活跃层（9，99），和
-基本上通过重复所述周期p来确定包括所述磁性活跃层和所述磁性非活跃层（9，99）的所述布置。
16.一种用于制造根据权利要求1至11中任一项所述的电机（1，51，101）的方法，其中，确定所述磁性活跃层（3）的所述厚度bAi，从而满足所述条件bAi≤lS/4…lS/20。
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