CN109478805A - 配有多组层叠涂层导体的定子总成 - Google Patents

Abstract

一种定子包含多层涂层导体。该涂层绝缘且在相邻导体层间实现电气隔离。多组层叠涂层导体构成定子铁芯，定子包括夹住定子铁芯的磁体组件。所述导体层沿着正交于所述磁体组件平台的方向彼此层叠。导体层均具有矩形横截面。

Description

配有多组层叠涂层导体的定子总成

优先权

本专利申请依据《美国法典》第35卷第365条第(c)款要求于2017年6月2提交的名称为“配有多组层叠涂层导体的定子总成”的第15/612,886号美国专利申请的优先权。本专利申请要求该专利申请的优先权。而该美国专利申请为正式申请，基于2016年6月7提交的第62/346,898号美国临时专利申请。本专利申请要求该专利申请的优先权。

技术领域

本专利申请中的说明主要涉及电动机，具体涉及定子。

版权声明/许可

本专利申请文件的部分公开内容可能包含受版权保护的材料。版权所有人不反对任何人按照其在美国专利商标局的专利文档或记录中的形式对本专利文档或专利公开内容进行复制，但在其他方面保留所有版权。此版权声明适用于下文所描述的所有数据和本专利申请附图中的所有数据以及下文描述的任何软件：2016、2017年，SapphireMotors，保留所有权利。

背景技术

电动机通常用于各种设备，例如小型家用电器和电子设备以及用于泵和工厂的大型电动机。电动机是世界上的耗电大户之一，但传统上，它们要么效率十分低下，要么价格非常昂贵。电动机的能源效率指的是有多少输入功率被转换为了输出功率。传统上，家用小电器电动机的效率略高于50％。用于泵和工厂的大型电动机通常效率超过90％，但是非常昂贵。直线电动机可以沿着一根轴高速地驱动设备，而旋转式电动机转动一根轴，通常是以一定的转速获得相应的转矩。

传统电动机定子是由电磁线在铁芯周围盘绕而成。电磁线通常是在铜、铝或其他金属导体上涂覆一层薄的绝缘层的绝缘体，可形成可控的电磁体。通常，定子包含不同的磁性阵列。定子绕组可以进行机械或数字切换，以对应磁性阵列的磁场，定子通过对磁通量的变化进行计时来产生电动势。

在传统电动机中，定子通常由多个绕组组成，绕组由绝缘纸、涂漆或一些塑料膜(如聚酰亚胺薄膜)等绝缘。塑料薄膜通常很薄，以便在可用的导体体积下实现最大电流能力。将绝缘层加厚以防止绕组间短路，既可以减少具有固定体积的电极中可用的导体数量，又可以增加定子绕组的电阻。电动机效率随着损耗的降低而增加，但是电动机损耗的增加与电流的平方和电阻之积成正比。因此，增加绕组电阻会降低电动机效率。此外，传统的电介质或磁线涂层是良好的绝热体，这意味着增加涂层厚度会增加热量在导线中的聚集。磁线涂层的热性能在电机性能上的产生了矛盾，增加涂层厚度可以获得更高的电压，但却会导致过热。在传统设计中，细线绝缘是电动机失效的主要原因，易于出现过热这一局限性决定了电动机性能极限。

图1示出了传统电动机的横截面图，其中，线圈缠绕在铁芯片上。作为一个示例，电动机100可包含4或6组线圈130(图示为6组)缠绕在钢芯片120上，其磁路是直性或旋转电动机磁路标准布置的典型代表。中心110是电动机100的旋转中心,可以是杆或轴的位置。利用永磁体后面的背铁构成完整的磁路和电枢铁芯的铁芯片，提高了间隙处的磁场强度，因此有助于提高性能，但存在笨重、成本高、涡流、磁滞损耗等固有缺点。转子和定子中磁极的数量相对较少，导致了高转矩脉动。大量的钢件增加了磁场强度，但具有较高的涡流和磁滞损耗，同时造成电动机100笨重。

附图说明

下文的描述包含对图示的阐述，这些图示以示例的方式说明本发明之实施例的实施方式。这些附图应视为示例性的，而非限制性的。如本文所使用，本专利申请中提及的一个或多个“实施例”应理解为描述本发明的至少一个实施例所包含的某一特定功能、结构和/或特征。因此，本专利申请中出现的诸如“在一个实施例中”或“在一个替代实施例中”之类的语句描述本发明的各种实施例和实施方式，也不一定均指同一实施例。然而，它们也不一定相互排斥。

图1示出了传统电动机的横截面图，其中，线圈缠绕在铁芯片上。

图2是配有多层涂层导体的定子铁芯的定子总成的一个实施例的示意图。

图3A漆包圆线的一个实施例的示意图。

图3B是漆包方形线的一个实施例的示意图。

图3C示出了涂层导体层的一个实施例的示意图。

图4A是导体线圈的一个实施例的示意图。

图4B是导体线圈的另一个实施例的示意图。

图5示出了一个具有折叠和弯曲的导体通路实施例的示意图。

图6A示出了具有三个相位的涂层导体片的实施例的示意图。

图6B是将三相位导体堆叠到定子总成的横截面图的实施例示意图。

图6C是将三相位导体堆叠到定子总成的透视图的实施例示意图。

图7是三相位定子铁芯总成的实施例示意图。

图8A是被分为多个部分以减少电流回路的导体的一个实施例的示意图。

图8B是具有分段电流通路的导体中涡流的实施例示意图。

图9A是具有分段电流通路的导体俯视图的实施例示意图。

图9B是具有部分分段电流通路的导体俯视图的实施例示意图。

图10A是弯曲绕组的实施例示意图，其中多层导体层在外圆周处连接。

图10B是弯曲绕组的实施例示意图，其中多层导体层在内圆周处连接。

图11A是线圈总成的扁平相位上Halbach阵列排列的实施例示意图。

图11B是双轴Halbach阵列的一个实施例示意图。

图12A示出了在紧邻Halbach阵列的弯曲通路中布置有多层导体层的电动机总成的一个实施例的示意图。

图12B示出了配有多层导体层和一个外壳的电动机总成的一个实施例的示意图。

图13A是线性Halbach阵列的静磁有限元模拟的一个实施例的示意图。

图13B是双Halbach阵列的静磁有限元模拟的一个实施例的示意图。

图14示出了电动机总成的一个实施例的示意图。

下文将描述某些细节和实施方式，包括对所述附图的描述，这些附图可能描述下文阐述的实施例中的部分或全部实施例，还可能探讨本专利申请提及的发明构思的其他潜在实施例或实施方式。

具体实施方式

如本专利申请所述，定子总成包含多组层叠涂层导体。该涂层绝缘且在相邻导体层间实现电气隔离。多组层叠涂层导体构成定子铁芯，定子包括夹住定子铁芯的磁体组件。导体层均具有矩形横截面。

与作为定子导体的线圈绕组相比，定子总成包括具有可变或非恒定横截面的涂层导体。在一个实施例中，定子总成包括多层蓝宝石包覆的铝层。定子中的涂层导体层可支持构建高性能的电动机，在最大程度地降低电阻损耗和最大程度地降低涡流损耗之间实现最佳权衡。在一个实施例中，该涂层包括阳极氧化产生的蓝宝石或氧化铝微晶，其具有卓越的绝缘性能以及优异的热导率。更具体而言，与典型的塑料、硅、树脂或其他传统的导线绝缘体相比，蓝宝石包覆铝的电气绝缘性能和热导率得到了改善。改善后的性能降低了电动机烧毁或发生故障的可能性。在一个实施例中，该工艺设计导体结构排列，以减少涡流损耗。在一个实施例中，该工艺设计导体结构排列，以改善填充因子来增加导电性。在一个实施例中，该导体结构排列设计可改善填充因子并减少涡流损耗。

电动机中的定子总成可以使电动机和电动装置具备高效率，这些电动机和电动装置运行稳健并且允许超过额定值的过载。例如，在一个实施例中，电动机可暂时超过正常额定值运行以应对临时的功率浪涌。例如，以适当的热导率和与涂层导体的电气绝缘性能可以实现大约200％或更高功率的临时浪涌。额定值通常指持续或长时间运行的极限值。但得益于热导率和电气绝缘性能，临时浪涌不会导致电动机故障。因此，可以在尺寸和速度方面对电动机进行设计以提高其效率，同时允许功率瞬爆。与传统设计相比，这种设计允许使用更小的电动机，而传统设计需要对额定值进行设计，因为即使是短时间的超功率也会对传统电动机造成损坏。

导线具有恒定的横截面。在一个实施例中，涂层导体通过导体金属(例如，蓝宝石涂层铝)的化学反应制成，其中蓝宝石被理解为氧化铝。在一个实施例中，涂层导体通过化学沉积法或其他工艺制成，以提供用于导体上的纳米层材料，例如金刚石涂层铜。定子铁芯包括具有高热传导涂层材料的导体，其中涂层具有使金属绝缘的高介电常数。在一个实施例中，绝缘涂层包括传统的绝缘体、硅或类金刚石涂层。在一个实施例中，对具有绝缘涂层的导体进行结构排列设计，以产生直线电动机或旋转电动机的磁场，并实现更高的效率、功率密度和可靠性。与在铁基芯上线圈绕组的传统电动机相比，使用先进的制造技术可以降低电动机成本。

定子铁芯包括多层或者是一组或多组层叠涂层导体。在一个实施例中，导体层的结构设计允许在更紧凑的体积中布置更多导体，因此有助于降低电阻损耗。因此，定子可包括三维排列的多层涂层导体。多层涂层导体薄层减小了导体的横截面积，与具有较大横截面积的导体相比，有助于减少涡流损耗。传统电动机通常不考虑横截面，因为使用绝缘线圈绕组可限制涡流。

即使采用自动化制造工艺，在铁基电动机铁芯周围缠绕导线也会产生制造成本。涂层导体层可使用机械设备(例如模冲压机)、激光或其他精密加工机械，或其他的制造工艺进行加工处理。通过上述工艺，导体层能够以与传统电动机相当的制造成本投入生产，而不会产生高昂成本。

图2是配有多层涂层导体的定子铁芯的定子总成的一个实施例的示意图。在一个实施例中，总成200包含位于磁体层222和224之间的定子铁芯210。磁体层222和224包含多个径向排列的永磁体，从而使磁极与定子的旋转运动方向正交。虽然总成200的图中示出了两个磁体层222和224，但应当意识到，替代定子总成可以包含配有单个磁体层的两个导体层。每个磁体阵列可以包含一个或多个磁体，每个磁体包含单个或多个磁极对。

在一个实施例中，磁体层222和224包含一个Halbach阵列。Halbach阵列利用叠加磁场交替改变磁体的方向，一组磁体产生平行于工作气隙的磁场(“由北向南”)，而附加磁体产生垂直于工作气隙(“由东向西”)的磁场。利用上述布置，该磁场在第一阵列的一侧增加磁通量，而在另一侧取消消磁通量，从而产生更大的磁场强度，减少无用磁场，无需软磁回路。Halbach阵列可提供多种线性、圆柱型和轴向通量阵列的变型。使用本专利申请所述的分层涂层导体定子将有益于各种Halbach阵列。

如图所示，定子铁芯210包含所述磁体层之间彼此堆叠的多层导体230。导体230包含呈矩形的横截面，并且具有一种排列型式，可在导体层内定子周围形成电气通路。在一个实施例中，对导体230进行结构排列设计，使其与另一组导体层堆叠，以增加定子铁芯210的导体密度。

在传统电动机中，定子通常由多个绕组组成，绕组由绝缘纸、涂漆或一些塑料膜(如聚酰亚胺薄膜)等绝缘。塑料薄膜通常很薄，以便在可用的导体体积下实现最大电流能力。增加绝缘层厚度可减少具有固定体积的绕组磁极中可用导体的数量，将增加防止绕组之间短路所需的绝缘层体积。定子绕组的电阻会随着所需的绝缘层体积的增加而增加，而增加的所述损耗与电流的平方和电阻之积成正比。这还会增加导线中的热量聚集，因为大多数用于电磁线的电介质都是良好的绝热体，因此在电机性能上的产生了矛盾，增加绝缘层厚度能承载更高的电压，但却会导致过热。绝缘层厚度过薄度是传统设计中导致电动机故障的主要原因，易于出现过热的这一局限性决定了电动机性能极限。

铜的导电性优于铝，因而铜通常是电动机绕组的首选导体，在小型电动机中尤其如此。传统上，导线以恒定的横截面挤出成型，然后涂覆绝缘层并缠绕成线圈以提供可切换的磁场。所需的电动机特性决定了绕组在厚度、绕组数量和结构上的选择。通常可通过增加较细的平行股线的数量来减少涡流，但使用这种方法会造成体积效率或组装密度方面的损耗。同等长度下，铝的横截面积需增大60％才能提供与铜相等的导电性。

许多常用的电介质易燃，且在过热环境中可能在高温下燃烧，而这些涂层的绝热性能使这一情况进一步恶化。较薄的材料在机械和电气方面均可能会发生失效。当损耗产生的热量破坏导体之间的绝缘材料时电动机会出现故障，这些绝缘材料指绝缘层、电介质或涂层。绝缘层破损会导致短路，从而减小磁场，导致电源试图以更大的电流或电压驱动电动机。当流过短路的电流增大时，导体受影响区域会进一步升温，或出现机械故障。电动机一旦出现这种短路，必须剥离和重绕，会产生因受损设备、故障停机时间和维修带来的相关成本。在许多情况下，绕组制造工艺复杂且成本高昂，大批量生产不切实际。

图3A漆包圆线的一个实施例的示意图。绕组302包含涂覆有绝缘体312的金属线310。增加给定体积中的导体可增加磁场。对于绕组302，金属310具有圆形横截面，并且小心地缠绕导体可以减小各个导体线股之间的气隙314。

图3B是漆包方形线的一个实施例的示意图。绕组304包含涂覆有绝缘体322的金属线320。对于绕组304，金属320具有方形横截面，并且小心地缠绕导体可以减小各个导体线股之间的气隙324。

对于绕组302和绕组304，导体之间仍然存在气隙。另外，绝缘体312和322的薄度具有实际极限值。减小传统绝缘涂层的厚度对于塑料或其他电介质而言不切实际，因为它们同时提供机械隔离和电气隔离。当电动机旋转且温度升高时，磁力将在相反方向上产生大小相等、方向相反的力，这导致导线彼此挤压，而绝缘层为导线提供机械隔离。许多涂层在温度升高时会变软。因此，减小绕组302和304的绝缘层厚度可能导致机械隔离和电气隔离问题。

图3C示出了涂层导体层的一个实施例的示意图。应当意识到，定子总成306中导体330的尺寸不一定等于实际尺寸。总成306中部件的尺寸可能与图中所示的彼此之间的相对尺寸不一致。另外，总成306中部件的尺寸不一定要和图3A与图3B各自中的绕组302和绕组304的相对尺寸成比例。

总成306包括多组层叠导体330，导体330包括涂层340。利用薄涂层340可实现导体330多组层叠，与在导线间形成间隙的绕组相比，其可在可用体积中布置更多的导体。许多常用的电介质易燃，且在过热环境中可能在高温下燃烧，而这些涂层的绝热性能使这一情况进一步恶化。减小此类涂层的厚度可能会增加机械上和电气上的故障风险。但是，涂层340表示一种由材料与导体330粘合而形成的涂层。在一个实施例中，涂层340表示与导体330的化学反应。

例如，考虑到导体330为铝或含有铝，铝经过化学反应形成一种阳极氧化涂层。在一个实施例中，涂层340是涂覆在铝导体上的蓝宝石(氧化铝)。经化学反应形成的或粘合而成的涂层机械强度更高，且与许多传统电磁线涂层相比，其具有更优良的电介质绝缘性能。另一个例子是，虽然金刚石涂层铜的热导率优于蓝宝石涂层铝，但是将金刚石涂覆在铜上的工艺可能需要控制石墨和杂质含量，因为污染物会造成金刚石带有导电性，从而降低其电绝缘体性能。纯金刚石是一种理想的绝缘体。其具有更高的强度、硬度和介电常数，所以明显优于传统涂层以及蓝宝石涂层铝。但是，当以薄涂层进行涂覆时，蓝宝石涂层和金刚石涂层可能会破损。在弯曲的情况下，蓝宝石可能易碎，产生裂纹。金刚石涂层可能一般只有几微米厚，易于破裂。然而，应当意识到，蓝宝石涂层暴露在氧气下时可以复原，而金刚石涂层没有此性能。由于具备借助电化学或阳极氧化工艺控制涂层厚度的能力，因此可根据定子导体层或绕组中的所需电压或设计电压对涂层340的绝缘层厚度进行控制。较细的导线可减少涡流的产生，但是鉴于所需要的击穿电压，涂层厚度与导体面积之比成为传统电动机设计超细导线的一大问题。使用更薄的涂层340，层叠的导体330可获得更多的导体。

众所周知，感生磁场的强度与电流成正比，且功率与电流和反电动势(EMF)电压之积成正比。鉴于这些比例性，设计人员可通过控制导体330的几何形状或者控制涂层340的厚度，或控制二者调整特定电动机的性能。设计人员可控制导体330的厚度与形状，以及涂层340的类型与厚度。

导体330具有矩形横截面332。导线型导体，例如绕组302与304中的金属丝，通常固定于横截面或直径上，电阻基于电动机常用开关频率的材料数量。对于相同导体而言，与较大横截面相比，较小横截面的电阻损耗更大，至少铝的情况如此。一般所选的导线号要符合绕组匝数所需的数目，并根据最小体积和包装要求设置电压和电流。利用可用的空间或体积，通过将一些截面变大，降低总系统的导通损耗是很可能的。

在一个实施例中，增加导体330的数量可减小总电阻，实现可接受的重量损失或材料成本。例如，通过导体层的结构排列设计(图3C未示出)增加导体330的数量，可提高机器效率，使定子的硬度和刚度更高。额外导体还可以实现更多的连接层的选择，并提供更多材料作为散热片，避免暂时过热，例如，支持电动机临时超速运转。通过铝、石墨烯、铜、及其他金属和非金属导体可实现采用相同的技术在可用体积内进行成形导体填充，以最大限度地降低涡流损耗和电阻损耗。

总成306未示出将作为电动机总成一部分的磁体。如上所述，层叠的导体330可夹在两个磁体层之间(如总成200所示)，或者磁体层可夹在两层导体330之间。传统电动机包括硅钢片，其充分利用钢或其他适用材料在空气中更高的磁导率。上述硅钢片具有多个缺点，可抵消已增强的磁场强度。一个折衷方案是电动机换向期间磁场来回切换时的磁滞损耗。在磁场来回切换时，这些磁滞损耗会饱和，从而限制可以产生的最大磁场。此外，传统铁芯片不仅增加了重量，而且占用了本可用于布置额外导体的体积。

在一个实施例中，定子总成306的导体层叠用于永磁体轴向磁通电动机。永磁体的使用可避免使用硅钢片，因此可腾出体积，由更多的导体330代替。增加总成306中的导体330数量会增加磁阻，而且等量电流可产生额外的磁力。在一个实施例中，设计有总成306的电动机可利用附加磁极、附加磁性材料、额外导体、增加的定子半径或其任意组合。极数、磁性材料的数量或半径的增加可在一定的体积和重量下产生更大的动力和扭矩。由此可见，相对于较少的材料，上述增加可能需要转换速度，并且可能增加工作电压、磁极和材料。

由于电动机和其他电磁机械通常属于热受限设备，同时降低涡流损耗和电阻损耗可提高电动机效率。在一个实施例中，涂层340代表比导体330机械强度更高的一种材料。机械强度是指承受电动机运行(旋转和发热)时产生的力的能力。在传统电动机设计中，绝缘层的机械强度低于铜导线或铝导线，这就需要额外的结构保持导线在电动机中的布置。根据牛顿力学定律，当EMF用于推进转子或以一系列脉冲的形式移动某一部分时，导线及其绝缘体将受到推力和拉力。所述推力和拉力在绝缘层上产生的作用力可导致电动机烧毁。在一个实施例中，涂层340的机械强度比导体330更高，电动机的机械性反向，绝缘层可为定子提供结构。因此，不需要新增结构，在一个实施例中，定子总成306可成为无外壳电动机或机械系统本身的结构。在一个实施例中，导体330的交替层具有交替的边缘叠加，一旦绝缘阳极氧化蓝宝石涂层失效，则有一个平面与该边缘接触，而非另一个边缘。此类交替便于电动机自恢复，因为阳极氧化蓝宝石涂层暴露在氧气下时，经过一段时间之后将自动复原。该材料的层叠可减少金属层互相摩擦产生的振动问题。

当涡流损耗和电阻损耗导致定子故障时，电动机功率热受限。所述损耗在翘曲、过热或因过热造成的润滑损耗或其组合作用下也可导致机械故障。从80％提高到90％，所提高的10％效率从总功耗的角度来看似乎并不显著，但是所提高的效率可降低废热，并使所需的冷却下降50％，从总功率的20％减少到10％。因此，即使是很小的效率提升，也可以消除冷却要求，这些要求将产生功率、尺寸和组件成本。

图4A-4B为导体线圈的实施例的示意图。图4A所示的线圈402和图4B所示的线圈404表示一层导体的电气通路型式的透视图。在一个实施例中，线圈402是根据图3C所示的定子总成306的导体330的导体层的一个示例。在一个实施例中，线圈404是根据图3C所示的定子总成306的导体330的导体层的一个示例。线圈402示出了一种具有四个片段的导体层的一个示例，而线圈404示出了一种具有六个片段的导体层的一个示例。导体层的每个片段可以视为从导体层中心到导体层外侧再回到导体层中心的电气通路的一部分，并且包括一个用于实现内边缘到外边缘之间导电的轮辐，以及一个用于实现外边缘到内边缘之间导电的轮辐。或者，这些部分可以视为从导体层外侧到导体层内侧再回到导体层外侧的电气通路的一部分。

至于线圈402，该线圈包括位于导体层平面之内径向盘绕在中心410周围的电气通路。线圈402包括连接于内部连接件432和外部连接件434之间的轮辐420。内部连接件432位于靠近中心410的导体层之内。外部连接件434靠近导体层的外边缘。如图所示，线圈402包括相邻轮辐420之间的交替外部和内部连接件。交替连接件提供导体层的盘绕电气通路。从一个视角来看，相对于传统绕组的三维通路，上述通路可以视为一个“二维通路”，三维通路在全部三个维度上均具有转弯，而二维通路的转弯仅限于在一个平面之内。

与线圈402相似，至于线圈404，该线圈包括位于导体层平面之内径向盘绕在中心410周围的电气通路。线圈404包括连接于内部连接件432和外部连接件454之间的轮辐440。内部连接件452位于靠近中心410的导体层之内。外部连接件454靠近导体层的外边缘。如图所示，线圈404包括相邻轮辐440之间的交替外部和内部连接件。交替连接件提供导体层的盘绕电气通路。从一个视角来看，相对于传统绕组的三维通路，上述通路可以视为一个“二维通路”，三维通路在全部三个维度上均具有转弯，而二维通路的转弯仅限于在一个平面之内。

根据导体层所拥有的部分或片段的数量的不同，轮辐和连接件的物理尺寸可能存在差异。应当意识到，上述导体层并非仅限于四个或六个部分，而是可以包括任意数量的部分，包括奇数数量的部分。这些部分的形状、尺寸和数量可以取决于电动机的实现方式。此外，虽然线圈402和404示出了类似形状的轮辐和连接件，但是也可以使用其他形状。轮辐的厚度可以大于、小于或等于连接件。在一个实施例中，轮辐420和440更宽，由于轮辐从中心410延伸至定子边缘。改变轮辐宽度可以增加定子总成之内可以堆叠的导体数量。在一个实施例中，轮辐420或轮辐440或二者从内部连接件到外部连接件之间拥有一致的宽度。不同的轮辐宽度可以为导体层带来变截面。

通常，就导体层而言，无论所述部分的数量或轮辐的尺寸和形状如何，导体层堆叠成为定子总成。并非和之前一样盘绕在钢芯周围，线圈402和404可以径向盘绕在中心410周围，并以串联或并联的方式与相邻层相连，在定子总成的各层之间形成多个导体电气通路。

为了举例说明，考虑参照由铝导体层形成的线圈404进行阐述。该阐述可被理解为能够适用于不同的导体层和不同的涂层。在一个实施例中，线圈404为多层铝导体层之一。在一个实施例中，线圈404在铝片加工工艺中制成。上述经工艺处理的铝可被制成一个矩形组件，该组件被调整为径向布置的线圈。在一个实施例中，线圈404由冲压或切割导体中的一个或多个工艺制成。经工艺处理的导体可被处理形成一种带绝缘涂层的电气导电通路。在一个实施例中，多层彼此连接形成一个电感，然后经工艺处理形成涂层。在一个实施例中，所形成的多层经工艺处理形成涂层，然后以层叠方式彼此相连。电感或线圈可形成一个定子，其能够增加体积内的导体数量，同时减少所需的绝缘层数量，并降低涡流损耗和体电阻损耗。

根据电磁机器磁场线性、旋转或固定耦合应用，可改变连接、切割和冲压的顺序以优化特定性能。以不同的串联、并联结构和不同尺寸、层数或电流通路复杂性布置导体，可将机器调整到期望的性能、效率、电压和最大载流能力。在一个实施例中，轮辐440与内部和外部连接件452和454可通过铝材激光切割、电浆、水射流、冲压或其他工艺或其组合而制成。在一个实施例中，轮辐440通过切割半径线或线进一步加工，该半径线或线沿着以中心410为中心的圆的半径延伸，并连接于内部连接件452和外部连接件454之间。上述切割也可通过激光、水射流、冲压或其他工艺或其组合实现。以下阐述的其他附图更明确的示出了在轮辐电流通路段形成分段的上述半径线。

将轮辐分成多个平行段，在一个方向上限制了电流通路，同时通过绝缘层和去除的材料造成的体积损失仅在另一维度上减少电流通路。至少部分导体线圈具有多个平行电流通路，可通过选择一种结构来调优性能，该结构可提供最大的载流能力，同时降低涡流损耗和体电阻损耗。在一个实施例中，具有并联通路的部分导体层被限制于近端部分，在该部分中导体层将经过磁体层的磁体。根据线圈404所示的内容，在一个实施例中，该设计可通过在内圆周处、外圆周处或交替连接处进行连接，便可连接所需厚度的层。如果导体层或薄板未固定且因运动而发生磨损，当各层重叠时，交替布置切口和边缘的位置可阻止局部的摩擦失效和发热。

在一个实施例中，线圈404可用阳极氧化铝(一种氧化铝，也称作蓝宝石，具有多个优点)取代定子上的传统绝缘层。阳极氧化技术可以将铝导体层表面转化为氧化铝或蓝宝石，这是一种坚硬、牢固、耐化学侵蚀、高度电绝缘且具有良好导热性能的涂层。因此，线圈404可用于构成定子，该定子在效率、耐久性、强度和性能方面相对于传统的绕线式电动机得到了改善。

阳极氧化产生蓝宝石，即使是不同厚度的带有孔、棘爪、间隙和裂缝的微观海绵状材料，也比传统的导线绝缘体具有更佳的介电或绝缘性能。此外，与聚酰亚胺薄膜、塑料膜、涂漆、绝缘纸和其他常见的磁线涂层相比，蓝宝石硬度和韧性更高，并且其热导率优越大约100倍。蓝宝石的介电常数大于10千伏每毫米，或>10kV/mm(千伏/毫米)。蓝宝石的体积电阻率大于10的14次方欧姆厘米(ohm*cm)。因此，蓝宝石的体积电阻率与硅大致相同，热导率为30瓦/米·度(W/mK)，而硅橡胶绝缘体热导率为0.3瓦/米·度(W/mK)。热导率提高100倍可以提高传热，从而降低电机过热的风险。

蓝宝石涂层铝采用现代制造技术，相对便宜，并且在富养条件下会自动氧化或复原，从而形成自修复机制。在一个实施例中，可以对铝进行阳极氧化处理，以将导电铝的表面转化为氧化铝或蓝宝石。蓝宝石涂层坚硬、牢固、耐化学侵蚀、高度电绝缘，并具有良好的导热性能。与传统电动机相比，由蓝宝石涂层铝层叠制成的线圈或定子可以促使电动机实现更高的效率、耐用性、强度和超速驱动能力。

由此可见，在阳极氧化以产生蓝宝石涂层之后弯曲导体将致其开裂。因此，无法将蓝宝石涂层导线用于传统绕组。然而，通过层叠平面导体层，可尽可能减少蓝宝石涂层的开裂，或者减少其破裂的影响。例如，以上开裂现象可能局限于所述导体层的连接区域，因此连接部分的短路对定子的性能几乎没有影响或影响很小。薄的氧化铝涂层具有比铝本身更高的熔化温度，因而很难烧坏使用蓝宝石涂层铝导体的定子的电动机。因此，减少甚至消除了电介质、绝缘体或塑料材料发热或因短路而失效等传统故障，使得本专利申请所述的电动机比传统电动机更可靠。

图5示出了一个具有折叠和弯曲的导体通路实施例的示意图。总成500提供了根据线圈402或404的实施例的层叠涂层导体的一个部分的示例。总成500中所示出的部分包含轮辐510。轮辐510代表不同层512的导体的一叠轮辐。每一个轮辐510代表一条电流的电气通路530。涂层导体层512可使各层电气通路530彼此隔离开。上述涂层导体层可以以不同的方式并联、串联或组合连接，以提供不同的电流容量或电压的组合。

开口540代表两个轮辐510间的空间。在一个实施例中，总成500包含开口540，其可以提供空间嵌套一组或多组层叠导体。在一个实施例中，总成500包含弯曲522和弯曲524，可嵌套多组层叠导体。在一个实施例中，总成500至少嵌套有一叠未设计弯曲的导体层。在一个实施例中，总成500至少嵌套有一叠设计有弯曲的导体层。在一个实施例中，多组层叠导体层彼此嵌套，弯曲改变了一组层叠相对于另一组层叠的电气通路长度。电子设备可以控制驱动不同通路的占空比，以实现不同层叠的电气通路长度的变化。

在一个实施例中，总成500设计有电气通路530的折叠，以提供径向电流通路，该通路提供磁场以驱动电磁动力，然后是返回通路。折叠是指由根据总成500的各种部件耦合在一起以形成完整径向电流通路的弯弯曲曲的形状(例如，360°折叠通路)折叠产生的形状减小了具有完整环形通路的两个线圈的总通路长度。

图6A示出了具有三个相位的涂层导体片的实施例的示意图。示意图602示出了用于实物互相连合以产生低电压和高涡流的三个相位。在一个实施例中，扁平导体620(也可以称为扁平线圈)被指定为相位1。相位指定是任意的，可以根据不同的嵌套线圈为系统指定不同的相位。

示意图602示出了上导体630(或上线圈)，其被指定为相位2。示意图602示出了下导体640(或下线圈)，其被指定为相位3。同样，相位的标签也是任意的，仅用于说明目的。此外，指定导体630为“上”线圈、导体640为“下”线圈是基于示意图602的特定方向而任意指定的。在一个实施例中，具有示意图602所示的三相定子的电动机可以按照导体620、630和640平面平行于地面、垂直于地面或与地面成任意角度的方式进行安装和使用。

示意图602包含导体620、630和640上的十字线，该十字线展示了各导体层彼此嵌套的相对位置。例如，以扁平导体620作为“中间”导体，十字线与导体的中心点对齐。如图所示，上导体630在十字线中心点的上方略微偏置，下导体640在十字线中心点下方略微偏置。与十字线相比较，可以观察到十字线与上导体630轮辐的一个边缘对齐，此边缘与下导体640的轮辐的一条互补边缘对齐，而十字线位于扁平导体620的两个轮辐中间。由此可见所述导体嵌套在一起的方式，对于设计有弯曲的上、下导体，其包含一个相对扁平的定子铁芯表面，由三个不同相位多组层叠的交替轮辐组成。扁平定子铁芯由彼此交错的大致共面多组层叠组成，以定位彼此相邻的不同层叠的轮辐。由此可见，扁平导体620的通路长度实际上比导体630和640的两个弯曲或波状外形线圈的通路短。传统上，这种不均匀的通路长度会产生不均匀的力。在一个实施例中，固态控制器(例如，数字微控制器或微处理器)驱动示意图602的电子总成，以数字方式补偿通路长度的不均匀。数字补偿支持使用成本更低的机械装置，而无需采用复杂的控制软件。

因此，如图所示，在一个实施例中，定子总成包含多组层叠的多层导体层。每一组层叠包含多层涂层导体线圈，这些涂层导体线圈可以根据本专利申请所述的任何实施例进行电连接。在一个实施例中，单个导体层叠的部分或全部导体层并联连接，以降低驱动EMF的所需电压。在一个实施例中，单个导体层叠的部分或全部导体层串联耦合，以增加所需电压。在一个实施例中，所述叠层包含两个或多个弯弯曲曲形状的线圈，线圈相互折叠，以形成定子的结构。由此可见，各层之间的嵌套能增加单位体积内的导体总量。嵌套导体层还可以尽量减少相邻导体层之间的磨损和潜在短路。

图6B是将三相位导体堆叠到定子总成的横截面图的实施例示意图。示意图604示出了图6A示意图602中定子总成的横截面，图中不同层叠的导体对齐其中心点。

图604的透视图更清楚地示出了上导体630和下导体640的弯曲部分，而层叠导体620为扁平型。将上述层叠导体层交错布置，几乎可以完全填充定子铁芯间的空隙，从而在给定体积内提供最多导体，以布置在磁体阵列附近。增加给定体积中的导体数量可以减少电阻损耗。在一个实施例中，每个相位包括铝薄片或其他导体材料的层叠导体层，与相同形状的实心线圈相比，这种结构可以降低涡流损耗与厚板的平方之积。薄板可以降低涡流损耗，同时增加驱动电流所需的电压。

图6C是将三相位导体堆叠到定子总成的透视图的实施例示意图。示意图606示出了交错层叠导体的另一透视图。尽管图示为相位1、相位2和相位3，但在一个实施例中，层叠总成可以包括单相位、二相位或三相位，这取决于导体的连接方式。因为每个层叠有多层导体层，所以在一个实施例中，示意图606可以容纳三个以上相位。增加相数可以减小最大扭矩间的角向旋转，并且可通过更窄的导体来降低电流承载能力。

图7是三相位定子铁芯总成的实施例示意图。总成700是根据图6A、6B和6C的示意图602、604和606的定子总成的一个示例。总成700可以提供一种三相位系统的一个示例。总成700包括嵌套导体722、724和726。附图中的每个参考编号包括指向同一导体线圈的最近轮辐的箭头，这些箭头由交错导体线圈轮辐隔开。因此，例如，从左往右，总成700的构成依次为导体724的轮辐，紧邻的是导体722的轮辐，接着紧邻的是导体726的轮辐，再紧邻的是导体724的轮辐，而且不断重复这一模式。

总成700包括由导体722、724和726提供的径向电流通路。径向电流通路允许电流相对于中心710径向流动，因此提供了一个与轴的接口。内边缘732靠近中心710，外边缘734位于导体上距中心710最远点处。据观察，从内边缘732到外边缘734，每个轮辐的横截面面积都不相同，这增加了定子中可包含的导体材料数量。

在一个实施例中，总成700包括一个扁平径向部分，以允许轴向通量磁体阵列间存在小间隙。扁平径向部分包括内边缘732和外边缘734间的涂层导体轮辐表面。扁平径向部分可以提供相当大的表面积用于冷却。总成700的设计还减少了磁场外的材料数量，同时仍保持电流通路。

图8A是被分为多个部分以减少电流回路的导体的一个实施例的示意图。如前所述，与较厚的导体相比，使用薄涂层导体片可降低涡流损耗。导线型导体通常固定于横截面或直径上，电阻基于电动机常用开关频率的材料数量。对于相同导体而言，与较大横截面相比，较小横截面的电阻损耗更大。然而，较大横截面可导致组装效率下降及绕组数量减少。在传统电动机设计中，进行导线选择以获得所需的匝数，根据最小体积和组装需求来设定电压和电流。

与传统导线恒定的横截面完全不同，根据层叠导体810的定子可通过将导体的某些截面面积增大来利用可用空间或体积，从而降低总系统导通损耗。在一个实施例中，层叠导体810包括经氧化铝阳极氧化处理的多层铝。通过对导体进行结构排列设计，电流通路812可包含较大横截面部分，通过附加铝降低总电阻，实现极少量的重量损失或材料成本。额外导体材料提高了电动机的机器效率，且使定子刚性更强、硬度更高。增加的导体数量也为连接层提供了更多选项，且提供更多材料作为散热片，避免暂时过热。

为了利用磁性阵列产生所需的EMF来转动转子，该系统通过导体提供电流，并使电流随着另一个导体或磁体磁场的移动而变化。然而，应当意识到根据楞次定律所述，相对磁场的运动产生一种与该运动相反的磁场。层叠导体810示出了一个磁体所产生的感应涡流814，该磁场的方向垂直于在导体810附近移动的运动方向。带箭头的字母“B”表示因磁体组件引起的磁通量方向。磁体组件产生在定子上移动的磁场B，其包括电流通路812，该磁体组件产生感应涡流814，作为与该运动相反的电流回路。

在导体810内产生的涡流814循环流动，形成一种须被克服的磁场，这就是产生损耗的原因。通过缩小通路，及并联多个导体以形成电流回路，可相互抵消这些磁场，从而降低上述损耗。然而，在传统系统中，使用并联导体带来一系列缺点，例如机械复杂性增加，绝缘层增加，以及电阻损耗增加，因为绝缘层增加导致可用导体减少。如图所示，层叠导体810将导体分为较薄的层。与相同体积的实心导体相比，导体层可产生更多的电流通路812。导体层可提供并联通路，且导体上的涂层能够绝缘，同时不会显著增加绝缘层的体积。

在一个实施例中，层叠导体810包括铝或铜或其他金属导体。在一个实施例中，层叠导体810包括石墨烯或其他非金属导体。无论是金属导体还是非金属导体，层叠导体810可在可用体积内增加导体的布置数量，从而最大限度地减少涡流损耗和电阻损耗。

图8B是具有分段电流通路的导体中涡流的实施例示意图。导体820代表一种具有横截面822且其中产生涡流824的导体。导体830代表上述导体820被分成4段，其具有较小的横截面832。涡流834是比涡流824更小的电流回路，减少了涡流损耗。由此可见，涡流损耗的减少量与横截面面积减少量的平方成正比。因此，将宽度或横截面面积减半，涡流损耗即可减少4倍，横截面积减少3倍，则电流损耗减少9倍，以此类推。

应用减少暴露在磁通量下的表面积以减少涡流的原理，层叠导体840示出了与图8A所示的层叠导体810类似的一种层叠导体，但它具有分段的电流通路842。电流通路842比层叠导体810的电流通路812窄。在一个实施例中，电流通路842是利用激光切割、水射流、金属冲压、感应焊接或其他制造技术或其组合制成的多层线圈层组成，该线圈层在所需方向上对电流具有低电阻，但在不需要的方向上对电流具有高阻抗。因此，电流通路842可以最大限度地提高载流能力，同时降低由磁场的相对运动产生的涡流844的涡流损耗。

在一个实施例中，层叠导体840包括多层铝或其他导体，这些铝或其他导体通过冲压或切割或其组合进行加工，并连接到该层叠中，并经处理以形成导电通路的绝缘层叠，作为定子的电感。制成绝缘体的冲压、切割、连接和处理顺序可以改变。改变连接、切割和冲压的顺序可以优化电流通路842的特定性能，从而提高其在电磁机器磁场线性、旋转或固定耦合应用中的适用性。涂层导体最大限度地增加了固定体积之内的导体数量，同时最大限度地减少了所需的绝缘体数量。层叠导体840可包含不同的串联和并联导体结构，可包括不同尺寸和层数的层叠、不同形状和复杂性的电流通路或其组合。由此可见，这些变化可以将机器调整到期望的性能组合，如性能、效率、电压或最大载流能力。

在一个实施例中，层叠导体840包含同一导体平面上的多条电流通路842，这些电流通路彼此之间没有电连接。在一个实施例中，层叠导体840包含多条电流通路842，这些电流通路仅沿着导体的通路(磁阵列将在其中经过)分开，并且可以在外圆周处、内圆周处连接或两处都连接(例如，将图9A与图9B进行比较)。制成许多具有长切口的薄板以隔离电流通路842，可以减少涡流844。层叠导体840可以包含具有多个平行电流通路842的薄导体，这些薄导体沿垂直于运动方向的方向电连接，但在运动方向上是相互电气隔离。

在一个实施例中，层叠导体840的各层可在内圆周处相连接。在一个实施例中，层叠导体840的各层可在外圆周处相连接。在一个实施例中，层叠导体840的各层可在内圆周和外圆周处交替连接。在一个实施例中，当各层重叠时,层叠导体840的交替层具有不同的切口位置和边缘。如果所述薄板未固定，这种变化能阻止局部的摩擦失效和发热，从而导致由于运动而发生的磨损。例如，以电流通路842为例，其中显示了单个导体层中的三个独立的通路。如果下一导体层有两条独立的通路，则该层的一个切口不会与图示层的两个切口重叠，这可以增加各层的电气隔离。其他变化将根据所描述的内容来理解。

图9A是具有分段电流通路的导体俯视图的实施例示意图。导体层910示出了在电流回路之间部分或完全隔离的扁平定子层。导体层910包括分段轮辐912，但凭借径向电流通路，导体会绕着导体层完成这一通路，从而允许电流沿着所需的方向流动。在一个实施例中，分段发生在内边缘922和外边缘924处。在一个实施例中，内边缘922和轮辐被分段，而外边缘924不分段。在一个实施例中，仅外边缘924和轮辐被分段，而内边缘922不分段。如图所示，导体层910包括具有多个平行电流通路的轮辐，这些电流通路与磁体组件磁极的运动方向正交。根据图8B所描述的内容，导体层910可以与具有相同或不同结构排列设计的其他层堆叠成层。在一个实施例中，交替层具有分段轮辐，一个或多个层无分段轮辐，或具有较少的分段。可以具有三个以上的分段。

图9B是具有部分分段电流通路的导体俯视图的实施例示意图。导体层930示出了一个具有部分分段导体的扁平定子层。更具体而言，导体930包括具有未分段的内边缘942和外边缘944的分段轮辐932。因此，导体930包括导体层的径向电流通路中的分段电流通路部分932和固态电流通路部分934。由于基于磁体运动952的轮辐中产生涡流这一事实，因此轮辐分段在涡流回路之间实现隔离。磁体范围954表明了磁体组件的磁体元件通过导体层930的大致范围。在一个实施例中，分段部分932径向延伸约与磁体范围954幅宽相同的长度。径向切割或分段会减小涡流与细分部分的平方之积。在一个实施例中，由内边缘942所代表的通路中心和由外边缘944所代表的末端通路位于主磁场之外，因此受涡流的影响较少。由于在主磁场之外的通路部分是固态的，如果循环电流低于期望的涡流损耗，则与完全分段的导体层相比，导体层930可以改善机械刚度。

图10A是弯曲绕组的实施例示意图，其中多层导体层在外圆周处连接。导体1010提供了一层涂层导体层在导体层叠中的示例，其中该层涂层导体将层叠成根据本专利申请所述的任何实施例的层叠导体。导体1010是具有六个分段的弯曲绕组，与六个传统线圈相比，这减小了导电通路，同时提供了允许额外导体重叠的机械通路。导体的重叠或交错可以增加体积密度，同时允许容纳一个、两个或多个相位。在一个实施例中，导体1010在外圆周上的接头1012处以层叠方式与其他层相连。在一个实施例中，接头1012使多个导体线圈能够在导体材料的同一平面(例如，由同一金属板冲压)形成，然后相互弯曲或折叠。因此，可以形成多层在接头1012处的连接导体层，然后折叠或弯曲以形成层叠导体。根据接头1012连接到导体1010的电流通路以及连接到其他层的方式，接头1012可以为相邻层提供并联连接或串联连接。在一个实施例中，外圆周接头1012可允许内圆周自由浮动，允许定子相对于穿过导体1010(未示出)中心的轴旋转。

图10B是弯曲绕组的实施例示意图，其中多层导体层在内圆周处连接。导体1020提供了一层涂层导体层在导体层叠中的示例，其中该层涂层导体将层叠成根据本专利申请所述的任何实施例的层叠导体。导体1020是具有六个分段的弯曲绕组，与六个传统线圈相比，这减小了导电通路，同时提供了允许额外导体重叠的机械通路。导体的重叠或交错可以增加体积密度，同时允许容纳一个、两个或多个相位。在一个实施例中，导体1020在内圆周上的接头1022处以层叠方式与其他层相连。在一个实施例中，接头1022使多个导体线圈能够在导体材料的同一平面(例如，由同一金属板冲压)形成，然后相互弯曲或折叠。因此，可以形成多层在接头1022处的连接导体层，然后折叠或弯曲以形成层叠导体。根据接头1022连接到导体1020的电流通路以及连接到其他层的方式，接头1022可以为相邻层提供并联连接或串联连接。

在一个实施例中，内圆周接头1022可允许外圆周自由浮动，允许定子连接到中心的轴(未示出)，且整个总成在外圆周外相对于外壳(未示出)浮动。对于固定在轴上的轮式电动机和其他装置，导体1020允许外圆周呈独立式。

图11A是线圈总成的扁平相位上Halbach阵列排列的实施例示意图。总成1110示出了交错线圈总成或导体总成上的Halbach阵列。总成1110包括导体铁芯1112，其可包括根据本专利申请所述的任何实施例的层叠涂层导体层。总成1110包括Halbach排列的磁体阵列1114。虽然未具体示出，但是双轴Halbach阵列还包括导体铁芯1112另一侧上的磁体阵列。在一个实施例中，总成1110包括一个紧邻导体铁芯1112的磁体阵列1114。在一个实施例中，总成1110包括紧邻导体铁芯1112相邻的两个磁体阵列1124，在两个磁体阵列之间具有导体铁芯1112。

导体铁芯1112具有围绕中心1116的导体。磁体阵列1114也围绕中心1116呈环形阵列。中心1116可以包含轴或转子。在一个实施例中，导体铁芯1112提供用于电动机的定子铁芯。在一个实施例中，磁体阵列1114通过一个小气隙与导体铁芯1112隔离开。即使被气隙隔离，也可认为磁体阵列1114紧邻导体铁芯1112。例如，可将磁体阵列1114安装在覆盖导体铁芯1112的外壳上，从而将其固定在图示所示出的排列中。在一个实施例中，磁体阵列1114包括非矩形磁体，但其呈一定形状，以填充总成1110周围的空间。

图11B是双轴Halbach阵列的一个实施例示意图。总成1120示出了交错线圈总成或导体总成上的Halbach阵列。总成1120包括导体铁芯1122，其可包括多组层叠涂层导体层，涂层导体层具有根据本专利申请所述的任何实施例的多个轮辐1128。总成1120包括Halbach排列的磁体阵列1124。虽然未具体示出，但是双轴Halbach阵列还包括导体铁芯1122另一侧上的磁体阵列。在一个实施例中，总成1120包括一个紧邻导体铁芯1122的磁体阵列1124。在一个实施例中，总成1120包括紧邻导体铁芯1122相邻的两个磁体阵列1124，在两个磁体阵列之间具有导体铁芯1122。

导体铁芯1122具有围绕中心1126的导体。磁体阵列1124也围绕中心1126呈环形阵列。中心1126可以包含轴或转子。在一个实施例中，导体铁芯1122提供用于电动机的定子铁芯。在一个实施例中，磁体阵列1124通过一个小气隙与导体铁芯1122隔离开。即使被气隙隔离，也可认为磁体阵列1124紧邻导体铁芯1122。例如，可将磁体阵列1124安装在覆盖导体铁芯1122的外壳上，从而将其固定在图示所示出的排列中。在一个实施例中，磁体阵列1124包括矩形磁铁，其在总成1120周围的磁体之间留下小间隙。与总成1110相比，总成1120示出了更多的磁体，从而提供了更多的磁极。由此可见，总成1110可以包括更多的磁体，总成1120可以包括更少磁体。因此，磁体的形状不一定与阵列中的磁体数量呈相关性。相对于较少的磁极，更多的磁极作为电动机或发电机操作时产生或需要更高的频率。

参考图11A和图11B，总成1110和1120的结构可用于冷却。随着定子总成的螺旋运动，空气或流体将由于向心力而从中心向外移动。随着旋转表面加速，空气或流体产生切向运动，导致净热传递径向向外。利用蓝宝石涂层或其他涂层的热传递性能，涂层可以将热量从导体传递出去，然后冷却螺旋运动帮助总成散热。利用导体层和磁体组件之间的气隙，空气或另一种流体可以在导体和磁体之间通行。因此，用于电动机操作的结构和运动可以提供所需的冷却。将电感的一个或多个相位形成实心定子，从而提供刚性结构，该刚性结构可以利用围绕旋转轴线中心进入的冷却流体或气体的向心流来散热。当热量通过涂层传递到导体表面时，流体或气体可以从转子表面带走热量，通过螺旋运动实现定子散热。使用具有数字控制的现代电动机控制器可以修改电流和电压特性，以数字化方式改变转速、扭矩和功率要求。在一个具有多个相位的实施例中，即使不同相位具有不同的物理结构和电气通路长度，数字控制也可以数字化方式使每个相位在电气上和物理上看起来相同。

图12A示出了在紧邻Halbach阵列的弯曲通路中布置有多层导体层的电动机总成的一个实施例的示意图。总成1200提供了根据本专利申请所述的任何实施例的布置有多层涂层导体的电动机总成的示例。总成1200包括带有轮辐1212的六个片段，其具有数量相对较多的由磁体阵列1216提供的磁极。磁体阵列1216是在磁体之间具有间隙的阵列的一个示例。导体铁芯1210包括多组层叠的以中心1214作为轴或心轴的涂层导体。用于电流的复杂或螺旋弯曲通路可以增加总成1200的电压标准，也会增加磁极数量。可以通过电路板、焊接或机械连接方式在外部连接各层。层叠的导体可以视为导体板，其堆叠以提供密集的导电通路，从而最大程度地降低电阻损耗。导体铁芯1210表面可以用作从温度更高的中心区域吸取热量的热交换器。

在一个实施例中，总成1200是电动机的一部分。考虑以具有关节初始运动的机器人设备为例。为了产生从完全停止到提升质量所需的转矩，加速臂和质量所需的初始功率会很高，但是一旦开始运动，以恒定速度继续的动力将仅为用以克服轴承损失的初始动力的一小部分。启动和停止的初始或周期性运动远高于平均动力，通常要几倍于平均动力。然而，应当意识到，仅在相对短的时间段(例如几秒)内需要更高的功率。

在一个实施例中，总成1200的结构可以允许电动机超速运转，电流或电压或二者都足够高，在持续运转时将引起故障。然而，通过仅在短时间内驱动电流或电压或二者，然后允许进行数秒钟的冷却，系统可以用体积更小、重量更轻的电动机整体维持高功率周期。总成1200的结构可增加各层间的热导率，改善冷却性能。另外，在一个实施例中，电动机可由临时电涌来驱动，且过热的可能性较小。由于过热的可能性降低，因此可使用比传统常用电动机体积更小的电动机，因为这种电动机可以暂时由过电流驱动。超速运转速度可能是稳定状态下的两倍或更多倍。使用较小的电动机降低了成本，减小了电动机重量，从而扩大了根据总成1200的电动机的应用。通常情况下，即使电动机的使用时间不到百分之十，其尺寸也要满足峰值性能要求。这种电动机尺寸增加了重量、成本和复杂度。得益于能够暂时超速驱动电动机以满足峰值要求的能力，可根绝平均所需负载对电动机的尺寸进行调整，该设计可以使用更小、更轻、更具成本效益的电动机，并且不会牺牲性能。

例如，类似于最初移动机器人附肢或关节所需的动力，电动飞机在起飞或机动飞行期间垂直起飞和着陆所需的动力可能超过航行期间所需的动力。具有根据总成1200的层叠线圈定子的电动机可以在短时间内承受高热量输出和可能的较低效率。一旦达到所需的高度或稳态运行，电动机控制器就可以降低动力输出，并在电机设计的最佳效率范围内运行。同样地，为了使电动车辆从静止加速运转，电动车辆可能需要五倍于额定功率的功率，例如，每轮额定值为10千瓦的四轮驱动，可在数秒钟之内产生200千瓦的功率(268马力)。上述电动机能在以每小时55英里的速度行驶时提供高效率的运行，这种电动机更轻、更小，因此与每轮额定值为50千瓦的电动机相比，产生的非簧载质量更小。

图12B示出了配有多层导体层和一个外壳的电动机总成的一个实施例的示意图。系统1220是根据图12A所示的总成1200的一个实施例的电动机总成的一个示例。系统1220示出了拥有围绕中心1224布置的轮辐1222的导体铁芯1232，中心1224可以是轴或心轴所在的位置。系统1220包括与导体铁芯1232相邻的磁体阵列1234。系统1220还示出了外壳1236，外壳1236可以是由金属、陶瓷或其他耐热材料制成的外壳。在一个实施例中，外壳1236将磁体阵列1234的磁体固定就位。外壳1236可以大于图中所示的尺寸，并且，例如，可以覆盖整个导体铁芯1232。

在一个实施例中，系统1220包括接头1242和1244，以连接不同的层或不同的导体叠层，或二者。在一个使用多个相位的实施例中，接头1242和1244可以作为不同相位的连接点。在一个实施例中，接头1242或1244或二者可以位于总成内侧，更靠近中心1224的位置。虽然未具体示出，应当意识到，系统1220可包含用于轴的一个或多个轴承。在接头位于中心1224的一个实施例中，系统1220可包含围绕导体铁芯外部的一个或多个轴承。

图13A是线性Halbach阵列的静磁有限元模拟的一个实施例的示意图。示意图1310示出了用于线性Halbach阵列的静磁有限元模拟的磁场线。磁体阵列1320的Halbach阵列通过将磁场集中在一侧，减少对背铁的需求，并且可以在不采用硅钢片的情况下实现线性、径向和轴向电动机设计来降低损耗。消除背铁有助于减少齿槽效应和涡流损耗。如本专利申请所述，Halbach阵列可与层叠涂层导体一起使用。示意图1310示出了磁体阵列1320的一侧上的强磁场1312，以及磁体阵列1320的另一侧上的弱磁场1314。较暗的阴影表示更强的磁场。定子将位于强磁场1312侧。

传统电动机通常包括硅钢片，其利用钢或其他适用材料在空气中更高的磁导率。然而，上述硅钢片具有多个缺点，抵消了增加的磁场强度。它们具有磁滞损耗，在电动机换向期间磁场来回切换时，磁滞损耗会饱和，从而限制了可以产生的最大磁场，因此不仅增加了重量，而且占用了本可用于布置额外导体的体积。在一些电动机器中，例如永磁体轴向磁通电动机，可避免使用硅钢片，基于如本专利申请所述的层叠涂层导体的定子可以用更多导体代替腾出的体积。增加导体会增加磁阻，等量电流则会产生额外的磁力。如果有可用空间，轴向磁通电动机的先进设计可以通过增加额外的磁极、磁性材料、导体以及增加半径来进行优化，从而在给定的体积和重量下产生更大的动力和转矩。上述电机可能需要提高转换速度、电压并增加磁极和材料。如果导体能够以较低的损耗和发热量产生磁场，则能为系统提供益处。这种权衡可使电动机效率超过百分之九十。根据本专利申请所述的定子可以实现生产成本低且效率高的电动机。

图13B是双Halbach阵列的静磁有限元模拟的一个实施例的示意图。示意图1330示出了用于两个面对面布置的线性Halbach阵列的静磁有限元模拟的磁场线。磁体阵列1342和磁体阵列1344的Halbach阵列通过集中阵列之间的磁场来降低损耗。具有双Halbach阵列和如本专利申请所述的涂层导体的电动机可以减少对背铁的需求，并且可以在不采用硅钢片的情况下实现线性、径向和轴向电动机设计。示意图1330示出了磁体阵列1342和磁体阵列1344的相对侧上的强磁场1332。磁体阵列1342和磁体阵列1344的非相对侧上存在弱磁场1334。较暗的阴影表示更强的磁场。定子将位于强磁场1332中的磁体阵列之间。在一个具有双磁体阵列的实施例中，所述阵列可以布置有一个或多个壳体元件，且在磁体阵列和定子总成的扁平部分之间由气隙隔开。

图14示出了电动机总成的一个实施例的示意图。总成1400示出了一个总成，其中示出了轴或旋转轴。更具体而言，总成1400包括导体1410，其为根据本专利申请所述的任何实施例的涂层导体。总成1400包括固定于壳体1430的Halbach阵列1420。轴1440代表连接于定子总成中心的旋转轴或轴。由此可见，总成1400的实际实施通常是全封闭的，且移动部件与固定部件之间安装有轴承。在某些电动机设计中，轴与定子总成固定在一起。在其他电动机设计中，轴相对于固定的定子总成旋转。总成1400可支持这两种类型的电动机设计。

例如，总成1400可包括或经改进包括一个机械安装，将定子总成与轴1440连接在一起。在上述设计中，转子可围绕轴自由旋转。此类设计可用于轮式电动机应用。在另一个例子中，总成1400可包括或经改进包括一个机械安装，将定子总成与电动机壳体连接在一起。在上述设计中，转子可固定于轴1440。

在一方面，定子总成包括：在第一平面上带有围绕定子中心点呈放射状布置的磁体的磁体组件；及与磁体组件相邻的定子铁芯，该定子铁芯具有多组层叠的涂层导体层，其中导体具有矩形横截面，以及与导体化学粘合的绝缘涂层。

在一个实施例中，矩形横截面存在差异，从更靠近定子中心点处的较小面积到更远离定子中心点处的较大面积。在一个实施例中，所述导体包括花纹金属板。在一个实施例中，所述导体包含铝，所述涂层包含蓝宝石。在一个实施例中，所述导体包含铜，所述涂层包含金刚石。在一个实施例中，一层导体包括多个轮辐，其中一个轮辐在所述定子中心点近端与该层导体的相邻轮辐电耦合，并在定子外缘近端与该层导体的不同相邻轮辐电耦合。在一个实施例中，所述定子拥有多组层叠的多层涂层导体。在一个实施例中，所述多组层叠包括与第二层叠嵌套的第一层叠，其中，所述第一层叠的轮辐与第二层叠的轮辐交错相邻并与其大体共面。在一个实施例中，所述多组层叠包括具备第一相位的第一层叠和具有不同于第一相位的第二层叠。在一个实施例中，所述轮辐包括多个正交于第一和第二磁体组件磁极运动方向的平行电流通路。在一个实施例中，所述轮辐的所述多个平行电流通路与单一电流通路相连接，从近端与所述定子中心点电耦合，并与单一电流通路相连接，从近端与所述定子外缘电耦合。在一个实施例中，所述多层导体包括呈蛇形的金属线圈，其中，这些线圈相互折叠在一起。在一个实施例中，所述多层导体中至少有两层导体并联连接。在一个实施例中，所述多层导体中至少有两层导体串联连接。在一个实施例中，所述磁体组件包括第一磁体组件，并且还进一步包括：第二磁体组件，第二磁体组件拥有位于平行于第一平面的第二平面上的磁体，这些磁体呈放射状排列在所述定子中心点周围；其中，所述定子铁芯位于第一和第二磁体组件之间。

在一个方面，一个电动机总成包括：电动机壳体、转子、轴和定子总成。该定子总成包括第一和第二磁体组件以及位于第一和第二磁体组件之间的定子铁芯，其中，该第一磁体组件拥有位于第一平面上、呈放射状排列在定子中心点周围的磁体；该第二磁体组件拥有位于平行于第一平面的第二平面上、呈放射状排列在所述定子中心点周围的磁体；该定子铁芯拥有一组层叠的多层涂层导体层，其中，该导体层具有矩形横截面以及与导体化学键合的绝缘涂层。

在一个实施例中，一层导体包括多个轮辐，其中一个轮辐在所述定子中心点近端与该层导体的相邻轮辐电耦合，并在定子外缘近端与该层导体的不同相邻轮辐电耦合。其中，所述导体包含铝，所述涂层包含蓝宝石。在一个实施例中，所述电动机总成包括直线电动机。在一个实施例中，其还包括：一个机械安装，其将定子总成与轴连接在一起，其中，所述转子绕该轴自由旋转。其中，所述定子铁芯的相邻层在所述定子中心近端彼此相连。在一个实施例中，所述电动机总成包括轮式电动机型电动机。在一个实施例中，其还包括：一个机械安装，其将定子总成与电动机壳体耦合在一起，其中，所述转子与轴固定。其中，所述定子铁芯的相邻层在定子外缘近端彼此相连。在一个实施例中，矩形横截面存在差异，从更靠近定子中心点处的较小面积到更远离定子中心点处的较大面积。在一个实施例中，所述导体包括花纹金属板。在一个实施例中，所述导体包含铝，所述涂层包含蓝宝石。在一个实施例中，所述导体包含铜，所述涂层包含金刚石。在一个实施例中，一层导体包括多个轮辐，其中一个轮辐在所述定子中心点近端与该层导体的相邻轮辐电耦合，并在定子外缘近端与该层导体的不同相邻轮辐电耦合。在一个实施例中，所述定子拥有多组层叠的多层涂层导体。在一个实施例中，所述多组层叠包括与第二层叠嵌套的第一层叠，其中，所述第一层叠的轮辐与第二层叠的轮辐交错相邻并与其大体共面。在一个实施例中，所述多组层叠包括具备第一相位的第一层叠和具有不同于第一相位的第二层叠。在一个实施例中，所述轮辐包括多个正交于第一和第二磁体组件磁极运动方向的平行电流通路。在一个实施例中，所述轮辐的所述多个平行电流通路与单一电流通路相连接，从近端与所述定子中心点电耦合，并与单一电流通路相连接，从近端与所述定子外缘电耦合。在一个实施例中，所述多层导体包括呈蛇形的金属线圈，其中，这些线圈相互折叠在一起。在一个实施例中，所述多层导体中至少有两层导体并联连接。在一个实施例中，所述多层导体中至少有两层导体串联连接。在一个实施例中，所述磁体组件包括第一磁体组件，并且还进一步包括：第二磁体组件，第二磁体组件拥有位于平行于第一平面的第二平面上的磁体，这些磁体呈放射状排列在所述定子中心点周围；其中，所述定子铁芯位于第一和第二磁体组件之间。

除本专利申请所描述的实施例外，在不脱离本发明范围的情况下，可以对本发明的公开实施例和实施方式做出修改。因此，专利申请中的说明和示例应视为说明性的，而非限制性的。本发明的范围应仅参照下列权利要求进行衡量。

Claims (21)

1.一种定子总成，其特征在于，其包括：

拥有位于第一平面上的、围绕定子中心点呈放射状布置的磁体的磁体组件；及

与该磁体组件相邻的定子铁芯，该定子铁芯具有多组层叠的涂层导体层，其中所述导体具有矩形横截面以及与导体化学键合的绝缘涂层。

2.根据权利要求1所述的定子总成，其特征在于，所述矩形横截面存在差异，从更靠近定子中心点处的较小面积到更远离定子中心点处的较大面积。

3.根据权利要求1所述的定子总成，其特征在于，所述导体包括花纹金属板。

4.根据权利要求1所述的定子总成，其特征在于，所述导体包含铝，所述涂层包含蓝宝石。

5.根据权利要求1所述的定子总成，其特征在于，所述导体包含铜，所述涂层包含金刚石。

6.根据权利要求1所述的定子总成，其特征在于，一层导体包括多个轮辐，其中一个轮辐在所述定子中心点近端与该层导体的相邻轮辐电耦合，并在定子外缘近端与该层导体的不同相邻轮辐电耦合。

7.根据权利要求6所述的定子总成，其特征在于，所述定子拥有多组层叠的多层涂层导体。

8.根据权利要求7所述的定子总成，其特征在于，所述多组层叠包括与第二层叠嵌套的第一层叠，其中，所述第一层叠的轮辐与第二层叠的轮辐交错相邻并与其大体共面。

9.根据权利要求7所述的定子总成，其特征在于，所述多组层叠包括具备第一相位的第一层叠和具有不同于第一相位的第二层叠。

10.根据权利要求6所述的定子总成，其特征在于，所述轮辐包括多个正交于第一和第二磁体组件磁极运动方向的平行电流通路。

11.根据权利要求10所述的定子总成，其特征在于，所述轮辐的所述多个平行电流通路与单一电流通路相连接，从近端与所述定子中心点电耦合，并与单一电流通路相连接，从近端与所述定子外缘电耦合。

12.根据权利要求6所述的定子总成，其特征在于，所述多层导体包括呈蛇形的金属线圈，其中，这些线圈相互折叠在一起。

13.根据权利要求1所述的定子总成，其特征在于，所述多层导体中至少有两层导体并联连接。

14.根据权利要求1所述的定子总成，其特征在于，所述多层导体中至少有两层导体串联连接。

15.根据权利要求1所述的定子总成，其特征在于，所述磁体组件包括第一磁体组件，并且还进一步包括：

第二磁体组件，该第二磁体组件拥有位于平行于第一平面的第二平面上、呈放射状排列在所述定子中心点周围的磁体；

其中，所述定子铁芯位于第一和第二磁体组件之间。

16.一种电动机总成，其特征在于，其包括：

电动机壳体；

转子；

轴；以及

定子总成，该定子总成包括

拥有位于第一平面上的、围绕定子中心点呈放射状布置的磁体的第一磁体组件；

第二磁体组件，该第二磁体组件拥有位于平行于第一平面的第二平面上、呈放射状排列在所述定子中心点周围的磁体；以及

位于第一和第二磁体组件之间的定子铁芯，该定子铁芯具有多组层叠的涂层导体层，其中所述导体具有矩形横截面以及与导体化学键合的绝缘涂层。

17.根据权利要求16所述的电动机总成，其特征在于，一层导体包括多个轮辐，其中一个轮辐在所述定子中心点近端与该层导体的相邻轮辐电耦合，并在定子外缘近端与该层导体的不同相邻轮辐电耦合。其中，所述导体包含铝，所述涂层包含蓝宝石。

18.根据权利要求16所述的电动机总成，其特征在于，所述电动机总成包括直线电动机。

19.根据权利要求16所述的电动机总成，其还包括：

一个机械安装，其将所述定子总成与轴连接在一起，其特征在于，所述转子绕该轴自由旋转。其中，所述定子铁芯的相邻层在所述定子中心近端彼此相连。

20.根据权利要求19所述的电动机总成，其特征在于，所述电动机总成包括轮式电动机型电动机。

21.根据权利要求16所述的电动机总成，其还包括：

一个机械安装，其将定子总成与电动机壳体耦合在一起，其特征在于，所述转子与轴固定。其中，所述定子铁芯的相邻层在定子外缘近端彼此相连。