CN109690911B - 电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电机的转子，该转子具有在端铁之间部分地或完全地延伸的柱。每个端铁由单块磁性材料形成，其中柱从端铁延伸，所述端铁包括柱在它们之间完全地延伸的另一端铁。磁体布置在柱之间，其中磁极面向柱以集中通量。为了防止过多的通量被吸入经过端铁的通量路径，使总磁通量超过通量路径的至少一部分的饱和通量。这可以通过使用在端铁之间仅部分地延伸以在通量路径中提供间隙的互相交叉柱，通过在端铁中提供通量阻止器以将饱和通量减小到总通量以下，或者通过使用高纵横比磁体或柱，使得磁通量超过柱或端铁的饱和通量来实现。

Description

电机
技术领域
电机。
背景技术
集中通量转子使用交替极性的切向极化磁体，并且本领域技术人员已知的其有可能在气隙处的转子柱中获得比在对准的PM配置中使用相同磁体时可能得到的通量密度更高的通量密度。
集中通量转子的已知的挑战是，一般而言扭转以在转子柱之间形成任何软磁连接是不利的，因为通量将通过该连接从一个磁体的N面泄漏到相同或相邻磁体的S面。换句话讲，当使用诸如钢或铁的软磁性材料时，连接磁体的N极和S极有助于利用对准的PM转子产生扭矩，集中通量转子的转子柱之间的任何软磁性材料连接会不利于扭矩的产生。解决该问题的已知做法是使用粘胶将PM的组件和软磁转子柱粘合在一起，相邻柱之间没有软磁性材料连接，使得它们之间没有磁链。这可以有效地利用高百分比的PM通量，但是组装非常困难，因为磁体彼此排斥并且还必须依靠粘合的强度来保持其形状。在较高温度和小气隙下，聚合物粘合剂的蠕变速率将使得很难保持所需的转子形状以获得长使用寿命。
发明内容
发明人已经提出了一种使用永磁体和柱的集中通量布置的电机，这些柱连接到端铁。该电机被布置成在气隙处提供超过通过端铁的通量路径的饱和通量的总通量。
在一个实施方案中，提供了一种用于电动马达的永磁体载体，该永磁体载体具有：第一端铁；第二端铁；柱阵列，每个柱从第一端铁和第二端铁中的至少一者朝向第一端铁和第二端铁中的另一者延伸，第一端铁和从该端铁延伸的柱由第一单块磁性材料形成，并且第二端铁和从该第二端铁延伸的柱由第一单块磁性材料或由第二单块磁性材料形成；永磁体阵列，该永磁体阵列被布置在柱阵列的柱之间，每个永磁体在被取向为在柱阵列的与磁体相邻的相应一对柱之间的方向上被磁化；以及支撑结构，支撑结构限定穿过第一端铁的每对相应的柱之间的第一相应通量路径以及穿过第二端铁的每对相应的柱之间的第二相应通量路径，第一相应通量路径具有第一间隙或第一饱和部分并且第二相应通量路径具有第二间隙或第二饱和通量部分，其中相应磁体与相应一对柱结合产生总磁通量，该总磁通量超过第一间隙或饱和部分的饱和通量与第二间隙或第二饱和部分的饱和通量之和。
在各种实施方案中，可以包括以下特征中的任何一者或多者：柱阵列的连续柱可以从第一端铁和第二端铁交替地延伸以互相交叉，每个相应一对柱的第一间隙或饱和部分是第一端铁和这一对柱中从第二端铁延伸的柱之间的间隙，每个相应一对柱的第二间隙或饱和部分是第二端铁与这一对柱中从第一端铁延伸的柱之间的间隙。可以存在支撑元件，该支撑元件相对于第二端铁支撑第一端铁。该支撑元件可包括限定用于接收柱的凹槽的支撑环。柱阵列的连续柱可以交替地从第一端铁和第二端铁延伸以互相交叉，每个柱连接到该柱没有从其延伸的端铁，其中连接部分的横截面小于柱，每个相应一对柱的第一饱和部分和第二饱和部分是连接到该相应一对柱中的柱的连接部分。柱可以连接第一端铁和第二端铁，端铁限定孔，端铁的围绕孔的部分是饱和部分。柱可以连接第一端铁和第二端铁，永磁体在与柱对齐的方向上所具有的长度足以产生超过端铁的饱和通量的通量，使得端铁的连接在柱之间的部分充当饱和部分。柱可以连接第一端铁和第二端铁，永磁体在与柱对齐的方向上所具有的长度足以产生超过柱的饱和通量的通量，使得柱充当饱和部分。磁体具有的在与柱对齐的方向上的磁体长度与在取向在相应一对柱之间的方向上的磁体宽度的比率大于4/1、5/1、6/1、7/1、8/1、9/1、10/1、11/1、12/1、13/1、14/1、15/1或16/1。这些柱具有的柱长度与柱宽度的比率可大于4/1、5/1、6/1、7/1、8/1、9/1、10/1、11/1、12/1、13/1、14/1、15/1或16/1。柱阵列中的每个柱可以具有相应的横截面，并且第一端铁可以具有第一端铁横截面，并且每个柱可以连接到第一端铁，其中连接的任何部分都没有比相应的横截面和第一端铁横截面中的最低者明显更低的横截面。第一端铁横截面可以等于或大于柱阵列的柱的每个相应横截面。第二端铁可以具有第二端铁横截面，并且柱阵列中的每个柱可以连接到第二端铁，其中连接的任何部分都没有比相应的横截面和第二端铁横截面中的最低者明显更低的横截面。第二端铁横截面可以大于或等于柱阵列的柱的每个相应横截面。每个磁体可以在连续柱之间的空间的基本上整个长度上延伸。在第一端铁和第二端铁上可以存在用于保持永磁体的突片。
还提供了一种轴向通量马达，该轴向通量马达包括如上所述的永磁体载体，其中柱在径向方向上延伸，并且被取向在相应一对柱之间的方向是圆周方向。另外提供了一种径向通量马达，该径向通量马达包括如上所述的永磁体载体，其中柱在轴向方向上延伸，并且被取向在相应一对柱之间的方向是圆周方向。另外还提供了一种线性马达，该线性马达包括如上所述的永磁体载体，其中柱在基本上垂直于该马达运动方向并且垂直于永磁体载体和电磁体载体之间的气隙的方向上延伸，并且被取向在相应一对柱之间的方向是马达的运动方向。
还提供了一种用于电动马达的永磁体载体，该永磁体载体具有：第一端铁；第二端铁；柱阵列，每个柱从第一端铁和第二端铁中的一个朝向第一端铁和第二端铁中的另一者延伸，该柱阵列的连续柱从第一端铁和第二端铁交替延伸以互相交叉，第一端铁和从该端铁延伸的柱由第一单块磁性材料形成，并且第二端铁和从第二端铁延伸的柱由第二单块磁性材料形成；永磁体阵列，该永磁体阵列布置在柱阵列的柱之间，每个永磁体在被取向为在柱阵列的与磁体相邻的相应一对柱之间的方向上被磁化，并且每个柱通过连接部分连接到该柱不从其延伸的端铁。
附图说明
现在将参考附图以示例的方式描述实施方案，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1是完整的示例性致动器原型的CAD模型。
图2是图1中的示例性致动器的截面视图。
图3示出了图1中的示例性致动器的定子和转子的侧视图细节。
图4示出了图1中的示例性致动器的整个定子和转子的示意图。
图5示出了图1中的示例性致动器的定子和转子的简化示意性截面视图，其中在柱上具有示意性CAD模型线圈。
图6示出了线性电机的定子的非限制性简化示例性实施方案。
图7示出了图6中的定子的等轴视图。
图8示出了图6和图7中的定子的顶视图，其中移除了上绝缘体层。
图9示出了图8中的定子的顶视图，其中移除了两个上部相电路。
图10是图6至图9的定子的截面视图。
图11是图10中所示的横截面的细节视图。
图12示出了非限制性示例性线性电机的等轴视图。
图13示出了具有内部线路的图12的电机。
图14示出了图12的电机，其中移除了上部永磁体载体护铁。
图15示出了图14的电机，其中移除了上部永磁体的大部分以及上部永磁体载体板。
图16示出了图15的电机，其中移除了所有永磁体并且移除了顶部绝缘板。
图17示出了图16的电机，其中移除了电连接器并且移除了顶部间隔层。
图18示出了图17的电机，其中移除了顶部相电路导体并且移除了第二绝缘体层。
图19示出了图18的电机，其中移除了第二间隔层并且移除了大部分柱。
图20示出了图19的电机，其中移除了上部空气芯传感器、第二相电路、结构圆柱形间隔物和其余的柱。
图21示出了图20的电机，其中移除了第三相电路和底部间隔层。
图22示出了用于轴向通量旋转定子电机的非限制性示例性实施方案的导体电路、柱和灌封化合物环。
图23示出了图22中的定子的细节视图。
图24是轴向通量旋转定子，其具有三个相，每个相有一个导体电路，其中移除了灌封化合物环。
图25是三相电路的等轴视图，其中软磁性材料柱在组装期间由铝电路定位。
图26是图25的分解图。
图27是图25和图26的实施方案的单个层的特写。
图28是图25和图26的实施方案的单个层的特写。
图29是单个定子电路的顶视图细节。
图30示出了轴向通量电机的截面。
图31示出了线性电机中的电磁元件阵列(这里是线圈)，其面向跨过气隙的电磁元件(这里是永磁体)。
图32示出了具有负载臂的分段轴向通量电机。
图33示出了轴向通量电机的定子。
图34是图33的定子的细节。
图35是用于在图33的定子中使用的电导体层的细节。
图36是用于在图33的定子中使用的电导体层的其他细节。
图37是用于在图33的定子中使用的电导体层的其他细节。
图38示出了图33的定子的电导体层。
图39示出了图33的定子的电导体层。
图40示出了可以在关节处配备有所公开的电机的实施方案的机械臂的实施方案。
图41示出了可以在关节处配备有所公开的电机的实施方案的机械臂的实施方案。
图42示出了所公开的电机的实施方案的磁体配置。
图43是示出线性电机的连续层的第一细节图。
图44是示出线性电机的连续层的第二细节图。
图45是示出线性电机的连续层的第三细节图。
图46是示出线性电机的连续层的第四细节图。
图47示出了用于将线性电机的层连接到多相电激励源的连接的细节。
图48示出了用于将线性电机的层连接到多相电激励源的连接的细节。
图49是示出线性电机的实施方案的连续层的第一图。
图50是示出线性电机的实施方案的连续层的第二图。
图51是示出线性电机的实施方案的连续层的第三图。
图52是示出线性电机的实施方案的连续层的第四图。
图53示出了在转子和定子中都具有线圈的电机的实施方案。
图54示出了在转子和定子中都具有线圈的电机的实施方案。
图55示出了具有Hallbach磁体阵列的电机的实施方案。
图56示出了示例性致动器组件的横截面，该致动器组件具有二部式定子、三个相和3∶2的定子柱：永磁体比。
图57示出了图56的实施方案的详细横截面视图。
图58示出了对于3∶2比率或定子柱：永磁体，作为转子位置的函数绘制的扭矩，演示了使一个定子相对于另一个定子旋转的效果。
图59示出了图56中的示例性实施方案的分解图。
图60示出了图56中的示例性实施方案的局部分解图的横截面。
图61示出了图56中的示例性实施方案的壳体的截面细节视图。
图62示出了图56中的示例性实施方案的组装好的壳体和定子的截面。
图63示出了图56中的示例性实施方案的组装好的壳体和定子的截面，其中第一导体层位于定子上。
图64示出了图63中的截面的平面图。
图65示出了与图56中的示例性实施方案同相的四个导体层。
图66示出了与图56中的示例性实施方案不同相的三个相邻导体层的布置。
图67示出了图56中的示例性实施方案的组装好的壳体和定子的截面，其中指示了导体之间的径向流体流动通道。
图68示出了用于冷却图56中的示例性实施方案的导体之间的流体的径向、轴向和周向流体流动路径的平面图。
图69示出了穿过图68的定子的截面视图，示出了冷却流体流动路径。
图70示出了具有两个定子和转子的示例性实施方案的横截面视图。
图71示出了来自图70中的示例性实施方案的定子，其中导体在一个部分中示出。
图72示出了具有导体的简化定子的截面视图。
图73示出了定子上的导体的示例性配置，其中导体不跳过槽。
图74示出了定子上的导体的示例性配置，其中一些导体具有可变的导体宽度。
图75示出了图74的四层导体的分解图。
图76示出了具有多层厚度的流体流动间隙的导体的示例性配置。
图77示出了示例性组装方法中的导体层的配置。
图78示出了没有径向流体流动间隙的导体的示例性配置。
图79示出了具有弯曲的可变宽度柱的定子的示例性实施方案。
图80示出了具有切向取向的永磁体和径向延伸的通量路径构件的转子的示例性实施方案。
图81示出了图80中的转子的细节视图。
图82示出了图80中的转子的向内构件和内部部分之间的结构连接。
图83示出了图80中的转子的向外构件和外部部分之间的结构连接。
图84示出了图80中的转子的细节视图，其中移除了磁体。
图85示出了图80中的转子的扩大视图，其反映了示例性组装方法。
图86示出了图60中的转子的视图，其中内转子环和向外突出的通量构件以黑色示出。
图87示出了包括两个轴向半部和锥形磁体的转子的示例性实施方案。
图88示出了图87中的转子的截面视图。
图89示出了图87中的转子的分解图。
图90示出了图87中的转子中的磁体的平面图，示出了磁体的极性。
图91示出了图87中的转子的向外构件和外部部分之间的结构连接。
图92示出了图87中的转子，其具有将转子半部保持在一起的外环。
图93示出了包括两个转子半部和两个定子半部的示例性实施方案的分解图。
图94示出了图93中的实施方案的横截面视图。
图95示出了图93中所示的实施方案中的定子。
图96示出了图93中的实施方案的定子和底板的分解图。
图97示出了图93中的转子的截面视图。
图98示出了具有两个转子半部和一个定子的示例性实施方案的横截面视图。
图99示出了图98中的示例性实施方案的截面视图。
图100示出了机械臂的示例性配置，该机械臂具有一系列充当致动器并沿着臂间隔开的电机。
图101示出了机械臂上的电机的安装配置。
图102示出了转子配置的实施方案。
图103示出了层叠柱定子的示例性配置。
图104示出了具有径向对齐的柱叠层的定子的示例性实施方案的截面视图。
图105示出了层叠柱构造的示例性实施方案，其具有延伸穿过护铁的柱，其中锥形倒钩作为机械拉出止动件。
图106是图105中所示实施方案的截面视图。
图107是图105中所示实施方案的截面视图，示出了叠层与所得磁通量路径的一部分之间的绝缘图案。
图108是示出将锋利边缘阳极化的效果的示意图。
图109是包括具有倒圆边缘的导体的定子部分的示意图。
图110是包括具有锋利边缘的导体的定子部分的示意图。
图111A是第一层可堆叠扁平导体在组装之前的透视图。
图111B是第二层可堆叠扁平导体在组装之前的透视图。
图112是示出经涂覆的导体的示例的示意图，其中在阳极化导体的表面上具有电介质涂层。
图113是图112的导体的拐角的特写。
图114是示出堆叠在一起成层的导体的透视图，其中导体对堆叠在定子柱之间。
图115是示出经涂覆的导体的示例的示意图，其中完全覆盖锐边处的间隙。
图116是示出经涂覆的导体的示例的示意图，其中多于锐边处的间隙的完全覆盖。
图117是示出图115的经涂覆的导体的示例的示意图，其中涂覆有另外的聚合物层。
图118示出了组装好的定子和导体的截面视图，其中在一个或多个槽中的一个或多个导体层之间具有间隔物。
图119示出了在移除间隔物之前导体和间隔物的截面视图，其中粉末边缘涂层接触导体并将导体粘附到每个和/或柱侧壁上。
图120示出了定子的简化截面，其中移除了间隔部件。
图121示出了制造阳极化导体的方法。
图122示出了制造阳极化导体的方法的其他细节。
图123示出了锥形转子的实施方案的横截面。
图124示出了图123中的实施方案的特写横截面视图。
图125示出了图123中的实施方案的特写横截面视图。
图126示出了图123中的实施方案的特写横截面视图。
图127示出了图123中的实施方案的特写横截面视图。
图128是包括电源和编码器连接器的组装好的致动器的实施方案的轴向视图。
图129是图128的致动器的截面视图，示出了沿两个定子之间的中心平面的内转子。
图130是图128的致动器的定子和壳体组件的等轴截面视图，其具有分层导体的局部部分。
图131是图128的致动器的定子、内部壳体、外部壳体和分层导体的轴向视图。
图132是图128的实施方案的转子部件的等轴视图。
图133是具有示例磁体布置的转子和定子的侧视图，其中相邻的磁体相反地切向极化。
图134是包括用以分离两个定子的分离构件的致动器的透视图。
图135是用于图128的致动器的定子的另一个截面视图，示出了通过散热片的磁通量路径。
图136是具有散热片的定子的截面视图，示出了在柱之间的对角线处的磁链的横截面积。
图137是具有圆周散热片的定子的简化截面视图。
图138是包括分离构件的致动器的截面视图，该分离构件被配置为减小内轴承上的预载荷。
图139是包括分离构件的致动器的截面视图，该分离构件被配置为增强内轴承上的预载荷。
图140是具有密封冷却通道的致动器的截面视图。
图140A是具有半圆形冷却通道的实施方案的透视图。
图140B是具有两个定子和转子的实施方案的横截面视图，其中壳体通过内径刚性连接来连接。
图140C是图140B中所示实施方案的扩大横截面视图。
图141是集中通量转子的线性实施方案的简化横截面视图。
图142是具有护铁的集中通量转子的模型，示出了磁通量线。
图143是具有护铁的集中通量转子的模型，示出了通量线，还示出了部件长度。
图144是穿过具有锥形磁体和通量路径限制的轴向通量集中的通量转子的一段的横截面。
图145是具有延伸长度的磁体的轴向通量集中的通量转子的一部分的特写截面视图。
图146是具有定子的径向通量集中通量转子的实施方案的简化倾斜横截面。
图147是图146中所示的径向通量集中通量转子和定子的简化截面视图。
图148是图146中所示的集中通量转子的简化倾斜横截面，还示出了轧机。
图149是具有护铁的集中通量转子的模型，其中护铁具有不同的几何形状，并且示出了通量线。
图150是具有转子浮突和锥形转子端部的径向通量集中通量转子的实施方案的简化倾斜横截面。
图151是具有端铁的集中通量转子的轴向通量定子-转子-定子配置的实施方案的简化分解截面视图。
图152是具有护铁、端铁和通量路径限制的集中通量转子的轴向通量定子-转子-定子配置的实施方案的简化分解截面视图。
图153是具有端铁和通量路径限制的集中通量转子的轴向通量转子-定子-转子配置的实施方案的简化分解截面视图。
图154是具有端铁、通量路径限制和护铁的集中通量转子的轴向通量转子-定子-转子配置的实施方案的简化分解截面视图。
图155是具有护铁和端铁的集中通量转子的梯形定子-转子-定子配置的实施方案的简化分解截面视图。
图156是图155中所示的实施方案的简化分解截面视图，其中没有护铁。
图157是具有端铁的集中通量转子的梯形转子-定子-转子配置的实施方案的简化分解截面视图。
图158是图157中所示的实施方案的简化分解截面视图，其中具有护铁并且没有端铁。
图159是具有护铁和端铁的转子-定子-转子配置线性通量机的实施方案的简化透视图。
图160是图159中所示的实施方案的简化透视图，其中没有护铁。
图161是具有护铁的线性通量机的定子-转子-定子配置的实施方案的简化透视图。
图162是具有端铁的线性通量机的定子-转子-定子配置的实施方案的简化透视图，示出了转子的倾斜横截面。
图163是具有间断转子柱的轴向马达集中通量转子的模型。
图164是图164中所示的轴向马达集中通量转子的模型，其中示出了磁通量线。
图165是横向通量机的实施方案的横截面，其中通量在径向方向上跨过气隙链接。
图166A是图165中所示的横向通量机的实施方案的定子的透视图。
图166B是图165中所示的横向通量机的实施方案的转子的上部部分的透视图。
图167是横向通量机的实施方案的横截面，其中通量在轴向方向上跨过气隙链接。
图168是图167中所示的横向通量机的实施方案的定子部分的透视图。
图169是图168中所示的横向通量机的实施方案的转子的上部部分的横截面。
图170A示出了在恒定电流密度下对于模拟的一系列马达，扭矩随槽间距和柱高度变化的图形。
图170B示出了在给定温度下对于模拟的一系列马达，定子最高可能电流密度随槽间距和柱高度变化。
图170C示出了对于一系列电机，恒定温度扭矩相对于槽间距和柱高度的函数。
图170D示出了在给定温度下对于模拟的一系列马达，定子最高可能电流密度的加权函数的值随槽间距和柱高度变化。
图170E示出了对于模拟的一系列马达，在固定电流密度下Km″随槽间距和柱高度变化。
图170F示出了对于模拟的一系列马达，在固定电流密度下KR″随槽间距和柱高度变化。
图171示出了相对于域中其余的几何形状，对于200mm大小的机器有益于KR″的区域和KR″＞1.3的边界线。
图172示出了相对于域中其余的几何形状，对于200mm大小的机器有益于KR″的区域和KR″＞1.5的边界线。
图173示出了相对于域中其余的几何形状，对于200mm大小的机器有益于KR″的区域和KR″＞1.8的边界线。
图174示出了相对于域中其余的几何形状，对于100mm大小的机器有益于KR″的区域和KR″＞1.5的边界线。
图175示出了相对于域中其余的几何形状，对于100mm大小的机器有益于KR″的区域和KR″＞1.7的边界线。
图176示出了相对于域中其余的几何形状，对于100mm大小的机器有益于KR″的区域和KR″＞1.9的边界线。
图177示出了相对于域中其余的几何形状，对于50mm大小的机器有益于KR″的区域和KR″＞2.2的边界线。
图178示出了相对于域中其余的几何形状，对于50mm大小的机器有益于KR″的区域和KR″＞2.5的边界线。
图179示出了相对于域中其余的几何形状，对于50mm大小的机器有益于KR″的区域和KR″＞2.9的边界线。
图180示出了相对于域中其余的几何形状，对于25mm大小的机器有益于KR″的区域和KR″＞3.3的边界线。
图181示出了相对于域中其余的几何形状，对于25mm大小的机器有益于KR″的区域和KR″＞3.4的边界线。
图182示出了相对于域中其余的几何形状，对于25mm大小的机器有益于KR″的区域和KR″＞3.6的边界线。
图183是示出在没有施加电流的情况下，在200rpm的转子速度下跨一系列槽间距的马达系列的涡电流和磁滞损耗之和的曲线图。
图184是示出24槽层叠M-19和实心M-19定子的扭矩的曲线图，其中施加的电流密度为6A/mm2。
图185是示出24槽实心M-19定子的单个以及总定子损耗的曲线图。
图186是示出108槽实心M-19定子的单个以及总定子损耗的曲线图。
图187是示出108槽Durabar层叠M-19和实心M-19定子的扭矩的曲线图，其中施加的电流密度为19.7A/mm2。
图188是示出在模拟中各种马达的扭矩-重量比较的曲线图，其中在转子中使用了非常强的NdFeB N52永磁体。
图189是示出各种马达的扭矩比较的曲线图。
图190是示出各种马达的定子损耗比较的曲线图。
图191示出了经由流动通道冷却致动器的方法。
图192是致动器组件的实施方案的截面视图。
图193A是图192的致动器组件的特写截面视图。
图193B是图193A的致动器组件的截面视图中的衬套或低摩擦涂层的另一特写。
图194是图192的致动器组件的定子和固定环的截面视图。
图195是用于图192的致动器组件的定子的实施方案的特写视图，箭头指示如何能够将导体放置到延伸部顶部上方的柱上。
图196是图192的致动器组件的特写截面视图，其中移除了一个定子和对应的衬套或低摩擦涂层。
图197是用于图192的致动器组件的永磁体载体的截面视图。
图198是图192的致动器组件的转子和定子的特写截面视图。
图199A是图192的致动器组件的定子和转子柱的轴向等轴视图。
图199B是图199A的致动器组件的定子和转子柱的另一特写。
图200示出了使用无框架马达/致动器的机械臂的关节。
图201显示了无框架马达/致动器和机械臂的剖视图。
图202示出了无框架马达/致动器定子、转子和壳体组件的截面视图的特写。
图203示出了无框架马达/致动器机械臂组件的分解图。
图204显示了穿过壳体的截面视图，以便查看定子和转子上的突片特征。
图205概括了与突片特征一起使用以固定转子的向上、向上和向下组件运动。
图206示出了显示用于固定转子的突片特征的截面视图的特写。
图207示出了穿过壳体以显示在定子上使用以固定定子的突片特征的截面视图。
图208是使用分成两个单独的主体并互相交叉的磁极的示例性集中通量马达的等轴视图。
图209示出了图208的集中通量马达的分解图。
图210是图208的实施方案的单独主体之一的等轴视图。
图211是用于支撑图208的实施方案的单独主体的间隔元件的等轴视图。
图212是示出了图208的实施方案的单独主体的等轴视图，在这两个单独主体之间组装有磁体。
图213是具有互相交叉的环并且没有间隔环的转子的等轴视图。
图214示出了图213的转子的没有保持突片的不同型式。
图215是示出了从集中通量转子的一部分的气隙方向看的视图的示意图，其中低纵横比磁体安装在易感磁支撑结构中。
图216是示出了从集中通量转子的一部分的气隙方向看的视图的示意图，其中高纵横比磁体安装在易感磁支撑结构中。
图217是组装好的两件式转子的等轴视图。
图218是图217的转子的等轴分解图，其中磁体和两个转子部件分开。
图219是图217的转子的直视图，其中外环被加热并且内环被冷却以产生热膨胀/收缩以允许组装。
图220是处于温度平衡状态的图217的转子的直视图。
图221是处于收缩配合组装过程的状态下的图217的转子的一部分的等轴视图。
图222是图217的转子的一部分的等轴截面视图，示出了内齿几何形状。
图223是图217的转子的一部分的等轴截面视图，示出了外齿几何形状。
图224是示出两件式转子的一部分的等轴视图，其仅在从一个环延伸的柱上具有突片。
图225是图224的实施方案的分解组件的等轴视图。
图226是图224的实施方案的完整转子的等轴视图。
具体实施方式
定义
首先将定义整个文本中使用的若干术语。
如此处在电机的上下文中所用的载体当指代旋转机器时可包括定子或转子。
如本文所用的转子可以是圆形的。转子也可指线性马达的电枢或反应轨。定子可以是圆形的。其也可指代线性马达的电枢或反应轨。
齿可被称为柱。
在电动马达中，定子或转子可具有由缠绕在柱周围的线圈限定的换向电磁体阵列，而定子或转子中的另一者可具有由永磁体或线圈或线圈和永磁体两者限定的磁极。
永磁体可与转子和/或定子上的电磁体结合地使用以向系统添加通量。PM指永磁体。EM指电磁体。
电磁元件可包括永磁体、柱(齿)、由磁柱(其可以是软磁柱)限定的槽以及电导体。在一个载体具有槽和柱的任何实施方案中，另一个可具有用于电磁元件的永磁体，并且对于任何此类实施方案，术语电磁元件可由术语永磁体代替。在一些情况下，例如在集中通量转子实施方案中，磁极可由永磁体结合相邻柱限定，其中由永磁体建立磁场。
除非另外指明，否则“通量”指代磁通量。
在任何特定的磁性材料中，随着通量密度的增大，它渐近地接近饱和，但是在饱和下方它可以近似为线性的，并且在高水平的通量密度下，它基本上完全饱和，这时它也将是近似线性的，具有与在自由空间中的情况相同的渗透率。饱和通量密度被定义为通过外推这些线获得的交点处的通量密度。通量路径的一部分的饱和通量是经过该通量路径的足以达到该通量路径的该部分处的饱和通量密度的通量。在间隙的情况下，这是零。
分数槽马达是具有每相位每极的分数数量槽的马达。如果槽的数量除以磁体的数量，并且再除以相位数，结果不是整数，则该马达是分数槽马达。
可由框架或轴承来支撑载体相对于另一载体进行运动，并且轴承可以是滑动、滚子、流体、空气或磁性轴承。轴向电机是一种电机，其中磁通量链接跨轴向气隙发生，并且载体是以并排方式同轴安装的盘的形式。第一载体可布置成通过由框架、外壳或其他元件支撑的载体相对于另一载体移动，而另一载体相对于第一载体移动。
径向电机是一种电机，其中气隙被取向成使得磁通量被径向取向，并且载体被同心地安装，一个在另一个之外。线性致动器在构造上与轴向通量或径向通量旋转马达的区段相当，其中运动方向是直线而不是弯曲路径。
梯形电机是一种电机，它是轴向通量机和径向通量机的组合，其中气隙的平面位于由轴向配置和径向配置中的气隙形成的平面之间的角度半途处。
旋转机器的气隙直径被定义为垂直于气隙表面中心处的旋转轴的直径。在径向通量马达中，所有气隙都驻留在相同的直径处。如果气隙表面是如轴向通量马达中的圆盘形状的片，则平均气隙直径是内径和外径的平均值。对于其他气隙表面，诸如对角线的或弯曲的表面，平均气隙直径可按照横截面气隙视图的平均气隙直径建立。
对于径向通量马达，气隙直径指代(外转子径向通量马达的)转子内径和定子外径的平均值，或者(内转子径向通量马达的)转子气隙外径和定子气隙内径的平均值。径向通量马达的气隙直径的相似物可用于其他类型的旋转马达。对于轴向通量机，气隙直径被定义为PM内径和PM外径以及EM内径和EM外径的平均值。
电机的尺寸是指如本文所定义的轴向通量机或径向通量机的气隙直径或线性机器的载体的平移方向上的长度。对于其中一个载体比另一个载体长的线性机器，则所述长度是较短那个载体的长度。为了参考边界不等式来使用，旋转机器的尺寸以直径给出，但对于线性机器，其尺寸是与旋转机器的周长相对应的长度。因此，线性马达的在方程中对应于尺寸为Y的旋转马达的尺寸X与Y相关，即X＝pi×Y。作为一般原理并且包括横向通量机，用于所公开范围的任何旋转电机的该尺寸被定义为当磁活性气隙被投影到垂直于旋转轴的平面上时由该磁活性气隙限定的最大直径和最小直径的平均值。
定子的后表面被定义为在处于磁活性气隙处的表面的定子的相对侧上的表面。在径向通量马达中，这将对应于用于外转子配置的定子的内表面或者用于内转子配置的定子的外径表面。在轴向通量马达中，定子的后表面是定子的轴向外表面。
Km被定义为失速扭矩除以马达的电阻损耗的平方根。在该专利文献中，提出使用Km除以马达的有效磁质量来评估马达性能，在本公开中称为KR或KR。有效磁质量由转子和定子质量组成，包括磁体、线圈、齿和护铁，如由无框架马达制造商通常报告的。KR度量可用于评估低马达质量有益于总功耗的应用(诸如机器人)的马达性能。在一些情况下，在整个文本中使用Km和KR的与尺寸无关的类似物，即Km″和KR″。尺寸相关和尺寸无关度量之间的转换如下：
Figure GDA0002971228310000171
和
Figure GDA0002971228310000172
其中D是平均气隙直径，L是径向齿长。对于给定尺寸的马达，D和L在分析中固定不变，因此KR或Km将与K″R或K″m成比例。因此，一般而言，与KR趋势相关的陈述将隐含地也适用于K″R。
槽密度是槽的数量除以平均气隙直径处机器的圆周长度。如果槽的间距是变化的，则将使用设备的平均槽密度。槽密度也可以由槽间距的倒数来表示。它是在气隙直径(或其模拟值)处沿气隙每毫米圆周长度出现多少个槽的量度。对于旋转马达，它具有以下方程：
Figure GDA0002971228310000181
其中Ns是槽的数量，DAG是气隙的直径。对于线性马达的情况，该函数的分母将被沿着平移方向的载体长度代替。
极密度是槽的数量除以平均气隙直径处机器的圆周长度。如果极的间距是变化的，则将使用设备的平均极密度。极密度也可以由极间距的倒数来表示。极间距被定义为沿着运动方向测量的在一个极性的PM极的中心与相同载体上具有相反极性的下一个PM极的中心之间在平均气隙处的平均距离。在旋转马达中，该距离是在平均气隙直径DAG处测量的圆周间距。它是在气隙直径(或其模拟值)处沿气隙每毫米圆周长度出现多少个极的量度。对于旋转马达，它具有以下方程：
Figure GDA0002971228310000182
其中Np是极的数量，DAG是气隙的直径。对于线性马达的情况，该函数的分母将被沿着平移方向的载体长度代替。
对于分布式绕组，槽的数量将是N乘以极的数量，其中N是相位数的倍数。因此，对于三相机器，N可以是3、6、9、12等。对于集中绕组，槽的数量可以变化，但必须是相位数的倍数。它不取决于极的数量，除了槽和极的某些组合将产生更高的扭矩和更好的降噪或降齿槽特性。用于给定数量的极的槽的最小数量应当不低于50％，以获得足够的扭矩。
导体体积可用于指代单个定子的单位长度的槽面积。槽面积是槽的在正交于齿但不与载体的相对运动的平面平行的平面中的横截面面积。在轴向马达中，该平面将垂直于穿过槽的半径。槽面积有效地限定了可结合到定子设计中的最大导体体积，并且使填充系数尽可能地高以利用导体的所有可用空间通常是马达设计者的目标。
由于定子中的最大导体体积是根据槽面积来定义的，因此任何被称为具有最大导体体积或槽面积的定子必须具有槽和齿以限定槽。对于旋转马达，该参数定义为：
Figure GDA0002971228310000191
其中As是单个槽的横截面面积，或者是具有变化槽面积的定子设计的单个槽的平均面积。
作为相对准确的近似，As可被计算为齿的高度ht乘以槽的平均宽度ws，使得以上方程变为：
Figure GDA0002971228310000192
这些定义与尺寸无关。它们可用于表征任何马达。
极间距和齿高度可用于限定特定的定子或转子几何形状。由于参数与尺寸无关，因此本文所公开的有益度量同样是尺寸无关的，以每面积的力和每质量的力来表示，其中质量是指定子和转子的质量，包括任何磁体和线圈，使得可以通过包含气隙半径的适当倍增系数找到任何尺寸的旋转马达的扭矩和每质量的扭矩。对于具有相同气隙直径的任何两个马达，曲线图将针对扭矩和针对力/面积具有相同的轮廓，并且将针对扭矩密度和针对力/质量具有相同的轮廓。
冷却通道是限定用于冷却流体(包括气流或液体流)的流动路径的任何结构，诸如由散热片限定的通道，或槽中的未占用空间，或穿过结构或围绕结构的导管。
槽深度或柱高度也可用作导体体积的替代。柱高度(也称为齿高度或槽深度)是槽中导体可占据的横截面面积的量的替代。尽管槽可具有各种形状，诸如弯曲或锥形轮廓，但是槽高度基于最好地表示可由导体占据的槽的总面积的最接近的矩形近似。该尺寸不包括加入齿高度而不实质性地加入槽面积的特征，诸如极靴。对于横向通量马达，柱高度被定义为柱与导体线圈直接相邻、垂直于线圈绕组的方向的部分。
马达系列是一组通过分析表示的马达几何形状，其具有相同的构造和绕组，但具有一个或两个差异，诸如极间距范围或柱高度范围。
转子极的数量等于跨气隙的交替极性磁通量的区域的数量。例如，在表面永磁体转子中，极的数量由交替极性的永磁体的数量决定。然而，极也可以由磁体组(诸如在Halbach阵列中)、电磁体、或电磁体和永磁体的组合产生。导体层是形成为建立当在平面图中观察导体时不与自身相交的导电路径的单元。因此，导体层可以直接放置在柱周围，而层的塑性变形很小或没有塑性变形。每个导体层在槽的不同层级处占据槽的不同部分，例如在轴向通量机中对应于不同轴向位置或在径向通量机中对应于不同径向位置。在一些实施方案中，导体层可以由具有足够刚度的材料制成，使得它可以作为一个单元放置在柱上和槽中，而不是单独地螺旋缠绕在柱上。
直驱马达的连续失速扭矩是零速度下的连续扭矩输出，其中所产生的热量和散热量对于处于最大可允许电导体温度的给定冷却装置达到平衡。
集中绕组包括单独缠绕的柱或当通电时导致相邻柱产生交替极性的任何绕组配置。应当理解，并非所有柱在任何时候都与两个相邻柱是极性相反的。然而，当马达通电时，集中绕组配置会导致大部分柱在大部分时间对于一个或两个相邻柱是极性相反的。集中绕组是分数槽绕组的形式，其中每相位每极的槽的比例小于一。
术语“实心定子”是指均质易感磁支撑结构用作电机的定子。
示例性径向通量电机
图1示出了具有外部壳体1012和内部壳体1014的完整示例性致动器1010原型的CAD模型。内部壳体1014是固定(或参考)构件，外部壳体1012是旋转构件。壳体可由任何刚性材料制成，诸如但不限于铝、钢或塑料。示例性致动器1010包括轴承/密封件1016和输出安装孔1018。图1中所示的原型产生了高扭矩重量比。这对于诸如但不限于机器人的应用是重要的。图1中所示的设计具有的槽密度和柱高度在被认为提供了KR方面益处的槽密度和柱高度定义的范围内，因此特别适用于机器人应用。
图2示出了相同示例性致动器1010的截面视图，其中内部定子1020附接到内部壳体1014，并且外部转子1022附接到外部壳体1012。转子1022包括附接到转子轭1026的永磁体1024。定子1020包括附接到定子轭1030的定子齿1028。定子1020由软磁性材料制成，诸如但不限于层压电工钢。实心材料可以用于定子1020，诸如但不限于粉末状软磁性材料，其表现出减小的涡流和/或减小的磁滞。由于该设备的非常薄的通量路径横截面将减少涡流损耗，实心钢或铁可用于定子1020，其在某些低速应用中具有可接受的性能。图2中的截面视图示出了简化的轴承1016并且在定子1020上没有线圈。
图3示出了定子1020和转子1022的侧视图细节(为清楚起见，该图中未示出线圈)。图4示出了整个定子1020和转子1022的示意图，其中转子1022上具有永磁体1024但在定子2010上没有线圈。
例如，在槽密度在0.16至0.5及更高的范围内时，并且考虑到通常槽大约与齿一样宽，对于200mm宽的机器，齿宽可处于2mm的量级。可以使用更宽或更窄的齿。较薄齿的优点在于实心材料可以能够在使用时具有最小的涡流，因为齿更接近正常马达叠片的厚度。普通马达叠层可以在0.015”至0.025”的范围内。使用热轧钢芯令人满意地完成该原型。这对于低成本制造具有优势。使用实心芯的其他优点包括可以在诸如铁的材料中具有更高通量密度。永磁体1024可以粘附到软磁性材料转子1022。在转子1022中，如图3所示的间隔物1025不是必需的，但可用于确保磁体1024以正确的间隔组装。
图1至图5示出了根据这里针对四相配置公开的原理的4∶3的柱1028与PM 1024之比的非限制性示例。通常，对于n个相，可以存在n∶n-1的柱与极之比，其中极的数量可以是永磁体的数量。可以使用3∶2的比(对于三个相)，或者可以使用2∶1的比(对于两个相)或5∶4的比(对于五个相)或6∶5的比(对于六个相)或者7∶6的比(对于七个相)，依此类推。4∶3已被证明是产生高扭矩的比，并且在这里用作非限制性示例。或者可以有n个相，柱与极之比为n∶n+1。许多其他的柱-PM比以及组合是可能的，并且可以根据该设备的原理使用。
图1至图5的实施方案具有172个柱，但具有所提出的槽密度的电机可具有更多或更少数量的柱。对于一些机械应用，最小数量的柱可以是100个柱以获得足够的扭矩密度。图5示出了定子1020和转子1022的简化示意性截面视图，其中柱上具有示意性CAD模型线圈1032。
对于所公开的电机的4相配置，柱的数量可以被8整除，其中柱与永磁体之比为4比3。永磁体可以被布置为具有交替的径向极性。
大量的柱允许每个柱的绕组较少。在非限制性示例性实施方案中，每个柱上的绕组仅为一层厚(从柱向外沿周向测量)。这减少了气隙和/或灌封化合物间隙和/或导线绝缘层的数量，来自导体的热传导必须穿过气隙和/或灌封化合物间隙和/或导线绝缘层以使导体将热以传导方式消散到定子柱。这有益于热容量(用于瞬时高电流事件)和连续运行冷却。当通过与导体直接接触的气体或液体冷却剂直接冷却线圈时，组合有高槽密度的少量周向层(例如柱上的单个周向导线层)导致导体非常高的表面积(相对于导体的体积)暴露于冷却流体。这有益于冷却导体，并且是利用电机实施方案的低导体体积的许多示例性方式中的一者。每个柱的单行(或低行数)线圈还降低了制造复杂性，从而允许更低成本的生产。在另一个实施方案中，每个柱的绕组是两层厚的。
示例性线性电机
在一个实施方案中，例如图6所示，电机可以构造成具有分层结构，分层结构允许主要部件由例如导体材料的片材以及绝缘材料制成，并具有高速和低成本的制造过程，导体材料例如但不限于铜，绝缘材料例如但不限于硬质阳极化铝，制造过程例如但不限于冲压或精密冲裁。不是将导线卷绕在柱上，而是可以冲压导体电路，然后分层组装。如果绝缘体层与每个导体层交替使用，则在一些配置中，导体层可以在没有绝缘涂层的情况下组装。作为另外一种选择，导体电路层可以在组装之前涂覆绝缘材料以获得额外的绝缘效果，或者消除对单独绝缘层的需要。
绝缘层可以是许多不同类型的材料。铝是一种可以冲压或精密冲裁，然后进行硬质阳极化的材料。硬质阳极化铝提供远离导体的高电压绝缘和优良热传导。其还提供优异的结构完整性。导体和绝缘层可以与许多可能的粘附剂一起固定，包括但不限于环氧树脂、灌封化合物、热活化粘合剂和热塑性粘合剂。
非导电(或绝缘导电)材料可以与导电层在同一层上使用，以提供结构完整性和散热器/散热性质。导体层之间的槽中的这些未填充层也可用于为冷却气体或液体提供流动路径，使得开口槽形成导管。冷却流体也可用作空气或液体承载介质。许多不同的材料可用于间隔层，包括但不限于阳极化铝、TorlonTM(偏苯三酸酐和芳族二胺的反应产物)、酚醛树脂或复合材料，例如但不限于金属基质复合材料。
每个导体可以是一层。层可以由一个或多个区段组成。区段可以是例如线性马达的整个长度，或旋转马达的整个圆周，或者它可以是线性马达的两个或更多个纵向区段或旋转马达的两个或更多个角区段。每个区段中的每一层可以是仅用于一个相的导体电路。在具有导线卷绕的普通电机中，导线被螺旋卷绕并且与该相中的其他导线和/或来自其他相的导线重叠。这种类型的3维导线卷绕构型不能用每相单层制造，因为简单的分层组件不允许典型柱卷绕需要的交织或螺旋重叠构造。
可以使用布线来形成多相马达，其中每个相邻槽包括来自不同相的导体或者非相邻槽的相的不同组合。这具有许多优点，包括简化制造以降低成本和提供如下所述的非常有效的冷却能力。
所公开的导体制造方法在构造具有高槽密度的设备方面尤其有效，因为它们可替代高精度的导线卷绕。
在一个实施方案中，每相卷绕的单层可以在两个相邻槽中提供导体，然后跳过一个或多个槽(例如，取决于相数量)，使得层存在于两个相邻槽中，接着是在该层上没有来自该相的导体的一个或多个槽。因此，在载体电磁元件包括柱的电机中，在柱之间具有槽的情况下，一个或多个槽在一个或多个槽的水平上没有与相邻槽中的电导体的位置相对应的电导体。
带开口的导体层
在一些实施方案中，所公开的电机不仅提供用于流体流动的高横截面积，并且提供一致分布的气流通道图案，其确保每个导体与冷却流体接触接近其长度的一半。换句话讲，在一个实施方案中，一次接触的导体层从不超过两层。槽中垂直的顺序可以是例如导体-导体-空间-导体-导体-空间-导体-导体-空间。这意味着所有导体的一侧始终与由缺失导体产生的冷却通道中的流体接触。这种均匀分布的冷却通道阵列有助于实现足够的散热，以补偿由于导体体积减小而产生的较高热量产生。
有效冷却通道间隔图案的一些实施方案包括导体端部线匝的重叠，结合相偏移以及每个柱端部的间隙，以允许每个柱端部的切向气流。利用这些细节，气隙是一致的，避免了更少(更大)的通道，增加了导体表面积，并且由于没有柱末端切向导管而没有停滞的气隙。
在一个实施方案中，一行中可能有两个槽，其中导体来自相，接着是p减2个槽，没有来自该层上任何相的导体(p是相数)。对于三相将是两个槽，其中导体来自相，接着是没有来自该相或任何其他相的导体的一个槽。对于四相将是一行中的两个槽，其中导体来自相，接着是两个没有导体来自该相或该层上任何其他相的槽，依此类推。没有来自该相或任何其他相的导体意味着存在可以填充灌封化合物和/或填充材料(例如热提取插入物)的空气空间或空间。
对于三相配置，作为非限制性示例，两个相邻的槽将具有单层，该单层具有来自第一和第二槽中第一相的导体，接着是在该层上将不具有导体的第三槽。该图案重复以提供单层卷绕，以在三个柱中每第一个的两个圆周侧上提供导体。在另一层上，第二相电路存在于单层上，并且在第二和第三槽中具有来自该第二相的导体，接着是不具有来自该层上任何相的导体的槽。第三相位于另一个单独的层上，在每第三和第一槽中有导体，但在每第二槽中没有来自任何层的导体。
分层构造允许从微型/MEMS马达直到直径10米或更上马达的可扩展构造。分层构造允许用增材制造过程沉积部件，或者与由单个或多个部件预制的各导体和/或绝缘体部件和/或间隔层组装。
这种卷绕配置可以在每层上用可弯曲的导线导体完成(对于非限制性示例，其仅螺旋地卷绕在两个柱上以连接到下一层)。或者该导体配置可以由预制导体层组装，使得在构造和组装期间很少或不需要弯曲导体。
跳过槽意味着会损害减少的槽填充百分比。然而，周期性槽中这种缺失的导体可以用作冷却通道，以允许直接冷却导体和/或绝缘层和/或EM柱的高百分比的表面积。冷却通道或导管可具有冷却剂流。周期性槽中的缺失导体可用作空气通道，以减轻装置的重量。
在组装之前形成导体并且不需要弯曲导体的能力也适合于使用延展性通常比铜线低的超导体。如果使用直流电流和超导体，可用于冷却剂接触的高表面积也适合于使用超导体来保持导体低于超导性所需的温度。低温冷却剂的使用还可以通过降低其电阻来使诸如铜和铝的传统导体更有效。分层导体的实施方案也适合于将铜或其他导体材料保持在人为低温，以在某些应用中提高效率。
线性电机的定子
图6示出了线性电机的定子1058的非限制性简化示例性实施方案。图6中所示的设计可以包括上绝缘层1034、下绝缘层1034以及导体层1040、1042和1044的叠堆。可以使用各种数量的导体层。柱1036可延伸穿过绝缘层1034中的开口1035。连接1046可提供至电激励源。对于1040、1042、1044各层，可提供单独的层。
通过低数量的易于制造部件，定子1058的简单构造是显而易见的。绝缘层1034可以由非导电材料或绝缘导电材料制成，并且可由例如硬质阳极化铝制成。可以对其进行冲孔或精密冲裁，然后进行化学蚀刻以去除尖锐边缘(重要的是在硬质阳极化时在边缘处获得高绝缘值)，然后进行硬质阳极化。在该非限制性示例性实施方案中，层1034为0.5mm厚，但是图6的电机可以具有一定范围的尺寸。绝缘层1034具有用于EM柱1036的矩形切口1035(尽管柱1036和柱切口1035的其他形状可用于各种效果，并且用于在组装期间精确定位柱1036)。如果绝缘层1034是导电的(即使它们具有绝缘涂层)，对于一些应用而言，重要的是在任一层1034内的任何单个柱周围都没有电连接。为此，在每个槽之间提供切口1038以断开潜在涡流电路。该槽可以在过程中的不同点冲压或冲裁或切割，例如在组装之前、期间或之后使用激光。电导体的最小厚度可大于导体层最大厚度的75％。电导体的最小厚度可大于导体层最大厚度的50％。这允许在交叉点处对导体进行冲压和最小薄化。＞50％让间隙仍是需要的。制造方法可包括从恒定厚度材料冲压或压印导体层，并将导体层放入槽中。得到的导体层可具有可变厚度。
EM柱1036可以由软磁材料制成，诸如但不限于钢或铁粉或其他类型的软磁材料。导体1040、1042和1044可由铜制成(或者对于某些应用可能是铝或超导体)并且可以形成或冲压或精密冲裁，然后涂覆绝缘层(未示出)，诸如但不限于导线导体通用的涂层。表面连接通孔1046与其余层组装在一起，或者如果需要则之后钻孔并添加。
定子1058通过手工或机器组装，然后可以夹在两个平坦表面之间并用灌封化合物灌封。在灌封过程中，顶部和底部模具板可以足够地缩回以允许所有表面润湿，然后再次轴向地再次接触或接近。柱1036的长度可用于定位上部和下部灌封模具部件(未示出)。
如果需要内部冷却，则从开口槽区段移除灌封化合物，诸如通过允许重力从大间隙移除灌封化合物，或者通过推动空气通过装置以将灌封化合物推出空腔。
图7示出了图6中定子1058的等轴视图(在导体上没有示出灌封化合物或绝缘层)。该非限制性示例性实施方案在每个区段每相具有一个导体(在该实施方案中，其是完整线性致动器定子1058)。可以在定子区段中使用相同相的多个导体层。
图8示出了图6和图7的非限制性示例性实施方案中定子1058的顶视图，其中去除了上绝缘体层1034，揭示了各相电路1040、1042和1044如何是单个组件(并且在这种情况下，具有相同几何形状)，几乎环绕三个连续柱1036中的每个第一、第二或第三个。相电路1040、1042和1044分别对应于第一、第二和第三相。
图9示出相电路1042和1044被移除，因此可以清楚地看到，通过在每个第三柱1036的任一侧填充槽1037，相1040的电路形状几乎环绕三个连续柱1036中的每个第三柱，并且跳过每个第一槽1037。其他两个相电路跳过不同的槽1037并且几乎环绕不同的柱1036。
图10是图6至图9的非限制性示例性定子1058的剖视图。其示出了各导体层1040、1042和1044中每三个连续槽1037的一个连续槽中是如何缺少导体的。图11是图10中所示的横截面的细节视图。
层可以粘合在一起或熔合在一起或焊接在一起。如果某些内部层(诸如但不限于阳极化铝或其他隔离层之间的铜层和间隔层)被镀锡，并且如果所有组件或它们的涂层可通过给定的焊料化合物粘合，则可以组装这些部件然后在烤箱中加压加热，以将所有融合在一起。重要的是，如果使用焊料预先镀锡，则分离层未被涂覆，因此没有导体层与层的导电性。作为另外一种选择，可使用热塑性树脂涂覆部件，然后可在足够压力下在烘箱中组装和加热，以确保正确的轴向和其他尺寸。在组装期间或之后可使用环氧树脂或其他硬化粘合剂来粘附和灌封部件。如果设计中包含气流通道，则灌封之后可在环氧树脂硬化之前将粘合剂从大室中吹出。提供薄且一致的粘合剂或焊料涂层的预浸料或焊料镀锡工艺的优点在于可以不需要吹扫气流通道。只有紧密配合的表面才会彼此粘附。可以使用任何数量的柱或永磁体。
图12至图21示出了具有永磁体(PM)载体1056和编码器的非限制性线性马达实施方案，其依次示出了移除顶层和显露下面层。对于技术人员所熟知的编码器有许多选择。在该示例中，柱末端处的微型线圈用作涡流传感器，但必须小心以确保必要的精度。它通过高频信号通电，在PM磁体涂层和/或磁体之间的材料中产生涡流。涡流的变化用于读取位置变化。图12示出了电机的非限制性示例性线性致动器实施方案的等轴视图。图13是图12的致动器，其中示出了内部线路。图14示出了移除上部永磁体载体护铁1048。
图15示出了上部永磁体载体板1052和大部分上部PM 1050被移除的情况，揭示了PM之间绝缘体层中的空气冷却排放孔和PM之间的间隔物中的槽，其为防止涡流绕柱1036旋转。还揭示了空气芯电感式传感器1054，其可在PCB上制造并且在组装期间添加到其余部件。电感式传感器1054可用于感测PM载体1056上任何导电物的位置，诸如PM 1050之间的铝和/或PM 1050上的导电涂层。该传感器可用于确定定子1058和PM载体1056的相对线性和/或轴向位置。图16示出了移除所有PM 1050和移除顶部绝缘板1034。图17示出了移除电连接器1062和移除顶部间隔层1060。图18示出了移除顶部相电路导体1044和移除第二绝缘体层1034，显露了用于内部冷却通道的空气入口。图19示出了移除第二间隔层1060和移除大部分柱1036。图20示出了移除上部空气芯传感器1054，和移除第二相电路1042以及移除结构圆柱形间隔物1064和其余的柱1036。图21示出了移除第三相电路1040和底部间隔层1060，显露了下空气芯PCB插入件1066和下绝缘体层1034。
图12至图21中的示例性实施方案可以配置多层的定子1058和/或PM载体1056，其中在一个或多个定子1058的轴向端部上具有PM载体1056，或者在一个或多个PM载体1056的轴向端部上具有两个或更多个定子1058。仅轴向端部处的定子1058和/或PM载体1056需要护铁。
示例性轴向通量马达的导体层
图22示出了根据电机的一个实施方案的轴向通量旋转定子1070的非限制性示例性实施方案的导体电路1044(该图中仅示出一层)和柱1036以及灌封化合物环1068。图23示出了图22中的定子1070的细节视图，其中定子安装孔用于定子附接到另一个定子盘和/或待致动或由其致动的固定或移动构件。
图24示出了从轴向通量移除的灌封化合物环1068、具有三相的旋转定子1070和每相的一个导体电路。在该实施方案中，导体构件1040、1042和1044每个都是完整360°的单个电路，对于三相中的每一相都具有IN和OUT连接1046。导体1040、1042和1044可以例如由硬质阳极化铝制成，这可以消除在导体1040、1042和1044或转子(未示出)之间需要单独的绝缘体层。
图25是三相电路1040、1042和1044的等轴视图，其中软磁性材料柱1036在组装期间由铝电路1040、1042和1044(和/或组装固定装置)定位。存在对于某些应用而言足够的重叠铝，铝电路1040、1042和1044以及柱1036交叉矩阵构造可足够强，以减少或消除对诸如端板盘的其他结构组件的需要。通过这种配置，可以装配到与图15定子相同空间中的额外体积的铝可以允许铝提供与必须在较厚层之间绝缘的铜类似的电阻。铜也可以这种方式使用，绝缘层较少或没有绝缘层，但铜绝缘往往不像铝阳极化那样坚韧。
图26是图25的分解图，示出了电路1040、1042和1044形状的简单性，所有这些都可以是对称的并且通过一个或多个柱1036简单地相对于彼此旋转，只要其他层几乎不环绕与另一个电路相同的柱1036即可。
图27仅示出了具有柱1036的第二导体层1042的近距离视图。图28仅示出了上述导体层1042的详细视图，以显示沿ID的重叠区段，这些区段用于结构完整性以增加导体层之间的粘结面积。图29是单个定子电路1044的顶视图细节。
如通过该分层导体构造的实施方案所能实现的，端部线匝的横截面积可以例如大于槽中导体的平均或最大横截面积。这降低了端部线匝的电阻，使它们运行比导体槽部分更冷，因此起到散热器的作用，以增加导体的热容量，从而提高短期在非常高的电流密度下工作的能力，诸如在紧急停止期间或甚至在高加速期间的正常操作期间。此外，与导体的槽部分(槽线匝)相比，端部线匝的表面积更大，提供了非常有效的散热片效果，因为它们具有相同组件和高导电率材料，例如铜或铝，从槽线匝到端部线匝的热流阻力低。冷却这些端部线匝“散热片”可以用任何数量的液体或气体冷却装置完成。
示例性轴向通量电机
一个实施方案可以包括单独控制的定子扇区，其中除了产生扭矩之外，所述定子扇区的控制器的第二目的将是保持转子与所述扇区对准，并且可能完全消除对滚动和/或滑动接触轴承的需要。每个部分可包括单独的多相BLDC马达驱动器。考虑具有中空圆盘形状的实施方案，如图30中所示的多部分致动器1082，人们可以认为，在某种程度上，每个弧形扇区1074必须或多或少地像线性致动器(图31中所示)，所以只要每个线性致动器保持其线性(在这种情况下为圆周)运动或位置，转子在给定时刻的每个对应部分将沿周向定位，使得定子和转子将保持同轴。从图中可以清楚地看出，每个定子扇区1076只负责可以使转子的对应扇区78切向地前后移动的主要切向力。即使定子和转子没有与轴承机械联接，也可以通过适当地将各个扇区1074换向来保持轴向对准。可以说，所提出的构想在某种程度上是扭矩产生设备和自对准动态磁轴承的组合。
电机的一个实施方案可以与长杠杆，诸如机械臂一起使用，该长杠杆在端部具有重量，水平地安装在致动器1082的旋转部分上，如图32所示。如果致动器垂直安装，即具有水平轴，则转子组件将经受向下的力1080，并且在水平轴上径向相对的各个扇区1084和1086将经历轻微的垂直向下位移。每个定子扇区处的编码器将记录该位移，并且马达驱动器和控制器将电力输入转移到那些扇区以维持那些扇区的正确的定子-转子切向对准。这将产生垂直升力1088以抵消臂上的垂直向下的力，因此，通过对各个扇区的主动控制，转子将同轴地保持在预定的公差内。这在图32中演示。所有其他部分都像往常一样产生扭矩。对于控制器而言，仅仅是在两个可能方向中的一个方向上的力(扭矩)的增大，并且因为它仅是两个方向中的一个，所以对于任何现有的马达驱动而言，这将不是对驱动算法的复杂添加。
用于示例性定子的卷绕构造
图33至图37示出了三相非限制性示例性定子卷绕构造的示意图，其具有构成定子的六层1040、1041、1042、1043、1044和1045，顶视图如图33所示。定子被分成1010扇区，每个扇区包含定子卷绕构造区段1090。每个扇区可以例如由基于每个扇区编码器反馈的单独马达控制器(未示出)来控制，其读取PM载体1056上的PM 1050相对于每个扇区的圆周位置。单独控制每个扇区允许径向力由CPU控制，使得转子和定子可以通过磁力主动保持同心。效果将是主动磁轴承在径向方向上的影响。卷绕的细节如图34所示。图35示出了图33中定子卷绕的单个区段1090的等轴视图。图36仅示出了最上面的两层1044和1045，它们都处于同一相并用穿层通路相连；在图37中仅示出了两个导体层的下层1044。
示例性轴向通量电机
许多实施方案是可能的。图38示出了一个示例性实施方案，作为四个定子盘1092的内部定子堆叠，其允许五个转子盘1094的外部转子堆叠旋转完整的旋转。另一个示例性实施方案如图39所示，其中外部转子具有围绕四个定子盘堆叠在一起的5个盘。定子盘1092与ID环构件1096以及定子盘1092和转子盘1094上的固定突片1098和输出突片1100分别固定在一起，允许以非常薄的轴向尺寸进行在线致动。为了获得额外的扭矩，可以添加更多的定子和转子盘。
可以根据具有一个或多个导体层的该装置的原理构造单或双或其他相的柱阵列。这种电机实施方案配置可允许简化地控制线性或旋转或其他马达配置，诸如但不限于线性马达以控制机械手指关节。
带电机的示例性机械关节
图40示出了双关节机械手指1122的非限制性示例性实施方案的示意性截面，其使用由第一载体1104形成的致动器或电机1102以及类似致动器1116的实施方案。该致动器1102可以是但不限于单相线性致动器，其具有多极但仅具有一相并且因此不换向，并且产生足够的力以致致动器的适当低机械优势(通过缆线或条带或连杆等起作用)可以产生足够的扭矩以及与其连接关节的旋转。在图40中，致动器1102具有固定到方阵1106的定子1104和固定到缆线或条带1110的PM载体1108。缆线1110在另一端固定到滑轮或其他构件1112上。滑轮1112固定到手构件1114。当定子1104通电时，在一个极性中，它允许方阵1102沿顺时针方向旋转，这是由于在手构件1114和方阵1102之间作用的CW弹簧(未示出)，其在致动器1102延伸时相对于手构件1114将手指拉直。当相反极性施加到定子1104时，缆线1110被拉向定子1104，因此方阵1102将沿CCW方向旋转。
第二定子1116固定到第二方阵1118并且致动缆线1120，该缆线固定到滑轮1112，该滑轮固定到方阵1102。定子1104和1116可以由相同和/或不同的马达控制器驱动。
定子1104也可以位于手构件1114中，或者附加的致动器1104可以位于手构件中并且可以作用在方阵构件1102上以引起旋转。固定到方阵1102的致动器也可以代替或者除了定子1116之外还产生方阵1118的扭矩和/或旋转。
在图41中示出了如上所述的使用各关节致动的具有三个手指1122的机械夹持器的非限制性示例的两个视图。使用电机实施方案的这些或其他致动配置的许多不同配置的夹持器是可能的。
用于电机的示例性磁体配置
图42示出了在电导体层1140至1143的分层布置的任一侧上的交替极性磁体1050的实施方案，其中柱1136位于绝缘层1134中。该图示出了轴向通量实施方案，其可以是旋转的或线性的。
图42的分层致动器可以利用本公开中的任何方法制造，诸如但不限于使用PCB制造技术，或预制部件的组装。为了减小产生给定线性力所需的电流，可以使用多于一层的电导体。每个层1140至1143可以在其与下一层之间具有单独的绝缘体层，或者每个导体层可以在组装过程之前或期间单独绝缘(类似于传统的导线绝缘)，因此导体之间不需要单独的绝缘层。
对于单相设备，对于非限制性示例，如图42所示，EM柱不换向。向该单相施加正电流或负电流以在一个方向或另一个方向上产生PM载体的力和/或运动。因此，输出的近似总行程将是柱间距。该设备的一个优点是降低了马达控制器的复杂性，其只需要提供可变的正电流和/或负电流来产生PM载体相对于定子的运动或力。
用于机械手指关节的示例性线性电机
对于许多运动控制应用，例如手指关节或机械或运动控制中的其他设备，可以机械地放大少量运动以完成所需的任务，例如使用缆线和滑轮拉动缆线“肌腱”，例如如图40和图41所示在人手指中。例如，成年人食指需要大约18mm的线性肌腱运动，以用于所有三个关节的整个运动范围。如果机械手指上的每个关节由单独的线性马达和肌腱控制，则每个致动器的总行程(复制人的手指关节运动)将是约6mm。如果机械肌腱的机械优势减小到人手指的1/2，则在每个关节处的每个单独致动器处仅需要3mm的总致动器运动来实现人手指关节的运动范围。
图42示出了四层单相致动器的非限制性示例性实施方案的简化横截面，其中在EM柱阵列的两个轴向端部具有线性PM阵列。图42中的箭头指示PM上的力(其固定到可移动的PM载体-图42中未示出)。PM上的力将在所示的EM极性处向右，而在相反的EM极性处向左。通过使用可变电流，例如使用PWM信号，该力将与电流成比例。如果柱间距为约3mm，则可以实现通常人类大小的手指关节的手指致动。
这种构造的紧凑性甚至可以允许每个关节的致动器位于下一个上游或下游臂或手指方阵中。这消除了对柔性缆线护套的需要，并允许缆线/肌腱直接作用于与致动器运动平面一致的关节。对于更有力的手指或其他部件致动，具有柔性壳体的缆线可用于远程地为一个或多个关节定位致动器，诸如在机械前臂中，其中有更多空间可用。
该致动器系统的一个优点是可以容易地将力施加到关节上(与多相和线性或旋转马达中的换向磁体阵列相比，其必须具有反馈系统以实现受控的力施加)。由致动器产生的力将与电流成比例，因此对于许多应用可能不需要力反馈传感器。许多应用可能不需要编码器。该配置可适用于许多其他机械或运动控制要求，其中有限的行进线性运动将提供所需的力和/或运动。
将相同的可变电流应用于手指中的所有致动器，每个致动器控制不同的关节，可以实现高度顺应性的手指组件，其中手指将符合每个关节处的给定有效负载，并且可选择整个手指仅使用单个电流控制。单个致动器的单独电流控制将允许单独的关节控制。
示例性电机的分层构造
图42中的上述磁体构造在图43至图52的组件中示出，在每个后续图中移除了一层以显示分层构造。
绝缘体层1134可以由任何非导电材料制成，或者由导电材料例如铝上的绝缘涂层制成。可以使用阳极化铝，因为其具有高导热率。对于诸如手指致动器的低频应用，涡流不是问题，因此导电定子层不需要在柱周围的任何断裂。
图43示出了图42的完整致动器1156，其具有PM载体护铁1148，上PM载体1152，下PM载体1157和定子1158。图44示出了移除PM载体护铁1148的致动器1156。图45示出了定子1158，其中PM载体1152、1157和PM被移除。图46示出了致动器1156，其中定子1158的顶部绝缘体层1134被移除，示出了四层单相单电路导体，其中连接器1124、1126用于连接到单相电流源(未示出)。
图47是导体层1141和1142之间的通路连接器1146以及由连接到导体层1140到1143的电导体的柱形成的IN和OUT连接器1124和1126的细节视图。图48是在定子1158的相反端的层1140至1143与图47中所示的IN和OUT连接器1124和1126之间的通路连接器1146的细节视图。
图49示出了顶部导体层1143和十二个EM柱1136被移除。图50、图51和图52分别示出了致动器1158，其中移除了电导体层1143，移除了层1142，并且仅示出层1140。
在图42至图52的非限制性示例性实施方案中，在相邻导体层之间不需要单独的绝缘体层。如果在组装/构造之前或期间导体层涂覆有绝缘体，则这是可能的。在导体层之间使用绝缘层将消除对导体绝缘的需要。
以上可以在一个或多个PM载体任一轴向端配置两个或更多个定子。PM载体可以具有任何类型的PM磁体，并且可以配置有Halbach阵列或伪Halbach阵列(PM在载体运动方向极化，其间有钢以提供磁链)。定子和“转子”都可以通电以减少或消除对永磁体的需要。可以使用任何数量或几何形状或尺寸的柱和PM或其他部件。制造技术包括PCB制造技术，其具有用于线圈的传导迹线和与拾放设备组装的柱。MEMS机器可以使用这些技术制造为非常小的尺寸，受静电力支配的电磁力下限的限制。较大的马达或致动器或发生器可以使用如本公开中其他实施方案所述的预制导体过程。
在两个载体上都带有线圈的示例性电机
电机的示例如图53、图54和图55所示，两个载体上都有线圈。与本文所公开的其他电机一样，图53的电机可具有所公开的槽密度和柱高或导体体积。给出的示例用于径向通量，但设计原理可用于轴向通量和线性电机。内部载体1220或外部载体1222可以是固定的。定子1220缠绕有导线，诸如但不限于铜线。它可以换向以改变各个柱或相的电流，或者它可以用可变的DC电流通电，因此DC电磁柱可以被缠绕和通电以同时控制来自所有PM 1224的通量。该通量转向使来自PM 1224的通量从短路重定向通过定子1220，并使其找到穿过气隙到转子1222的较低磁阻路径。转子1222可以是无源的(但仅在定子线圈换向时)或者它可以通过柱1227周围的线圈1232换向(如果定子通过DC电流换向或通电)。结果是当定子1220和转子1222上的线圈未通电时减小或没有通过气隙的通量的实施方案。当线圈未通电时，当转子反向驱动时这减少或消除了齿槽效应和反向EMF(也称为阻尼力)。反向驱动能力对许多应用有益，包括机械和轮式马达。该实施方案仍然可以用作发生器，但需要定子线圈通电。
在图53、图54和图55中，定子1220上有168个柱，转子1222上有140个柱(尽管可以使用定子柱和转子柱的许多不同组合)。该非限制性示例的外径(OD)约为8.4”，轴向长度为1”。定子可以由软磁钢制成，并且可以由固态的铁质材料或层压材料制成。转子1222可以由软磁钢制成，并且可以由层压材料制成或由固态铁质材料制成。导线可以是铜或铝，但可以由任何种类的导体制成，包括箔或方形导线或超导材料。发明人认为，这种尺寸的致动器非常适合于人尺寸的机械臂的肩部或肘关节。壳体在此未示出，但可以是任何几何形状，用于使定子1220和转子1222保持同心和对齐。图53是示出具有168个柱的定子的等轴截面视图，其中线圈1232包括每个柱1227、1228的单层导线，以及接触定子1220的OD附近的每个柱的永磁体1224。它还示出了140个转子柱的阵列，并且线圈1232可以包括每一个上的单层卷绕和定子1220的护铁1230。
当没有电力供应到定子线圈1232时，来自PM的通量可以“短路”通过定子，因此减少了或没有了穿过气隙的通量。这减少或消除了线圈未通电时的齿槽扭矩。当内部线圈被通电时，例如使用DC电流，来自PM1224的一部分通量被朝向并穿过气隙而转向到转子柱(连同定子柱通量)。定子线圈中的电流越大，气隙中的通量密度越高。
定子柱1228可以连接到一起形成单个电路，全部同时被通电。转子柱可以被接线并且在相位中被通电(在该示例中为5相，但是也可以使用其他数量的相)，然后通过顺序地移动极性图案进行换向。在该示例中，转子柱极性是S N S N S S N S N S S N S N S S NS N S等。其他极性配置可以用作例如NS的重复模式。也可以关闭第一组或第二组相邻的S极。正弦曲线或其他电流曲线也可以应用于每个柱以进行换向。在该示例中，转子和定子用24号导线缠绕并用20安培通电。定子和转子为0.5：宽。整个组件重约2磅，并且在20安培时具有约50Nm的扭矩。据信在短时间内更高的电流可能实现更高的扭矩。更宽的定子将产生更高的扭矩。
当设置有如图54所示的壳体1212、1214时，可以在内部壳体1214和外部壳体1212之间共享从线圈到壳体的散热。
具有HALBACH磁铁阵列的示例性电机
图55示出了在内定子上使用Halbach阵列的永磁体的电机的实施方案。已知Halbach阵列用作电动马达中的永磁体。这是使用永磁体的有效方式，并且分析表明它具有与图53和图54中描述的通量转向定子类似的扭矩重量比。永磁体具有比钢更低的通量密度，因此对于给定直径(和可能的定子/转子质量)，Halbach阵列实施方案可能的最大扭矩预期低于如本公开中先前所述的通量转向实施方案中的最大扭矩。使用Halbach阵列的优点包括低轮廓形状因数，这对于许多应用而言是重要价值。由高槽密度导致的导体短热流路径预期提供改善的扭矩密度。Halbach阵列可以设置在定子或转子上，并且可以是内部。在另一个实施方案中，三角形磁体可以与交替的径向极性一起使用，但是每个磁体之间的软磁性材料三角形通量路径连接器具有与Hallbach磁体类似的形状和尺寸。这种配置的优点包括由于磁体数量减半而成本更低，由于能够将所有钢三角形部件连接成单个护铁部件而具有更低的公差叠加，并且由于它们被磁性吸引而更好地将永磁体固定到软磁性材料转子护铁。
具有内轴承和外输出的示例性轴向通量电机
图56示出了示例性致动器2100的横截面。外部壳体2102固定到外部壳体2104。两个部件中的定子或等效地第一定子2106和第二定子2108通过机械装置诸如螺纹紧固件和/或通过粘合剂或其他固定方法固定到壳体2102、2104的面向内的表面中的每一者。转子2110固定成与轴承2112一起旋转，该轴承将它保持同心并且相对于壳体2102和2104处于固定的轴向位置。
图57示出了图56的实施方案的详细横截面视图。永磁体(未示出)安装在转子2110中。截面平面穿过定子2106上的柱2114，但截面平面不穿过定子2108上的柱。这是因为在该示例性实施方案中，定子2108旋转了四分之一柱间距，以减小与定子2102和2104上的柱相互作用的转子2110中的永磁体的齿槽力。使一个定子相对于另一个旋转，以抵消在转子2110和定子2106和2108之间产生的稍微正弦的齿槽扭矩。该效应在图58中演示，其中由电波产生的扭矩2300的第一基波和齿槽扭矩2302的第一谐波作为转子位置的函数绘制在线1b上，由数字0到6指示，0和6分别对应于电循环的开始和结束。定子2106的柱1b和定子2108的柱2b在转子永磁体2124上施加吸引力2306。在该非限制性示例性实施方案中，柱与磁体比率为3∶2，导致每个定子柱的2个齿槽台阶2308、2310。将一个定子相对于另一个定子旋转偏移四分之一节距，因此将一个定子的稍微正弦的齿槽扭矩2302与另一个定子的齿槽扭矩2304的相位相差180°，以达到有利于齿槽扭矩消除的水平。定子柱2114与转子磁体2124的其他比率将具有其他数量的齿槽台阶，并且将需要不同的偏移角度以根据以下计算实现最大齿槽效应消除。
齿槽台阶由P(柱数)和M(磁体数量)之间的LCM(最小公倍数)得出，因此对于3∶2的比率，齿槽台阶为1cm(3，2)＝6
示例
3∶2比率-1cm(3，2)＝6个齿槽台阶
24：16比率-1cm(24，16)＝48
144∶96比率-1cm(144，96)＝288
144∶142比率-1cm(144，142)＝10224
144∶146比率-1cm(144，146)＝10512
基于齿槽台阶数量找到偏移角，因此如果对于360电角度的一个电磁循环，存在6个齿槽循环，这意味着齿槽循环在每个360度/6＝60电角度完成。
60电角度对应于齿槽机械波的360度。要消除波形，需要一个相同频率的波，相位偏移180度。因此，180度的机械相移对应于15度电波，这意味着第二定子应该将其电相偏移15度。如果不是总转矩而是2xTQ，则一个定子的2xTQ×cos(15度)＝2*TQ*0.966＝1.932*TQ。
如果定子移动定子节距的一半，则齿槽台阶波将其相位移动360机械度，这意味着是增加两个波而不是消除它们的全齿槽台阶。为了消除波形，则必须偏移对应于180机械波度的1/4节距。
如图58所示，1/4节距偏移来自3∶2比率，如果有6个齿槽台阶，则应该有6个中性位置，其扭矩为零。
位置0、2、4和6在几何上对应于半节距和全节距。
0和4对应于零或全节距。
2和6对应于半节距。
位置1、3、5对应于节距的1/4、3/4和5/4。
图59示出了图56中设备的分解图。该非限制性示例性实施方案2100在转子2110的任一轴向端具有定子2106、2108(未示出)。定子具有护铁2126，其具有从后表面突出的翅片阵列2139，以及对应于2144槽、2144径向对齐、轴向延伸柱2114。有96个磁体2124，并且定子2106、2108由来自马达控制器的三相正弦电源供电。可以使用一系列槽，并且可以在所公开的范围内使用一系列的磁体数量。可以使用各种数量的相；可以使用许多不同的布线配置。
示例性实施方案使用具有N52永磁体的分数槽卷绕。可以使用许多不同的永磁体，并且可以使用许多不同的磁性材料。
具有分层构造的示例性轴向通量电机
在图59和图60所示的实施方案中，切向磁化的永磁体2124的阵列以NSSNNSSNNSSNNS...的顺序被切向磁化。这样，转子2110上的每个第一径向通量路径构件2128在两个轴向端为N极性，并且每个第二通量路径构件2130在两个轴向端为S极性。转子2110包括正弦表面2116，其可以与编码器结合使用，编码器诸如但不限于涡流传感器、光学传感器或其他传感器，以为马达控制器提供转子2110的径向位置。许多其他类型的编码器可以与该设备的实施方案一起使用。转子2110的圆柱形部分2118用于提供从转子2110到输出(诸如机械臂)的附接表面，并且为转子2110提供刚度。该圆柱形构件2118可以与转子2110是一体的，或者它可以是单独的部件，诸如但不限于铝环，其通过热膨胀和/或以其他方式附接到转子2110的盘部分而组装到盘上。间隔盘2120可用于将导体2122密封并容纳在定子柱2114之间的槽中。如果使用间隔盘2120，它们可以是非导电材料，诸如TorlonTM(聚酰胺-酰亚胺)或其他非金属材料，以防止涡流。导体2122可以是任何构造，包括导线，但也可以是分层构造，如这里所示的。导体可以是任何材料，包括铜或铝。
图60示出了图56的设备的截面视图，其中壳体2102和定子2106组件被分解，转子2110和磁体2124被分解，并且壳体2104和定子2108组装。气流入口2132被示为在壳体2104上，在分离盘2120和转子2110中具有横流开口2134、2136，以允许冷却流体从致动器2100的一侧流到相对的定子。
图61是壳体2102的截面细节视图。壳体2102的内表面具有用于定子2106的后表面上的散热片2139阵列的接收槽2138阵列。这些接收槽2138用于将定子2106的后表面固定到壳体2102，并且还用于将热量从定子2106的后表面传导到壳体2102。定子2106和壳体2102之间以及接收槽2138之间的体积可以用作流体流动室，以从定子2106的后表面和壳体的内表面吸走热量。可以利用泵或压缩机(未示出)将气体或液体循环通过该室。所公开的槽几何形状的冷却效率允许在许多应用中利用空气作为冷却流体来实现高性能。使用空气代替液体具有许多潜在的优点，包括降低成本和重量以及在许多应用中消除对泄漏的担忧。
图62示出了组装到壳体2102的定子2106。在该示例性实施方案中，定子2106包括轴向延伸的径向对齐的柱2114的阵列，其具有在所公开的范围内的槽密度和导体体积。在定子2106上示出了流体端口2140阵列，其用以提供用于在定子2106与壳体2102和2104之间的室中的流体的入口或出口。
图63示出了组装到壳体2102的定子2106，其具有电机的实施方案的3∶2分层导体配置的A相的第一导体层2142。导体的该实施方案的相的每个层占据定子2106上的单个轴向层，而在同一层上没有来自其他相的其他导体。层上的导体2142依次占据两个槽2143、2145，然后跳过槽2147，使得层上的第一槽2143具有来自在一个径向方向上提供电流的相的导体2142，该层上的第二槽2145具有来自在相反径向方向上提供电流的相的导体2142，并且该层上的第三槽2147没有导体。该导体形状和一个导体层2142在一个相中的顺序如图64所示。
图65示出了与定子2106同相的四层导体2142，并且为了清楚起见，移除了来自其他相的导体。轴向插入件2148将来自层上的相的每个导体2142的终点与从不同层上的来自相同相的另一个导体2142的相连接。
图66示出了示例性实施方案2100中的导体布置，其中每个相具有一个导体层2142。一个导体层2142的端部线匝与下一个导体层2144的端部线匝重叠，以便在槽中的层之间径向地(在该示例中向外，但流体可以在任一方向上流动)提供流体流动通道2150。定子柱未在该图66中示出。在图67中，同一层上的每个第三槽2147中的流体流动通道由三个示例性槽中的虚线箭头线示出。定子2106上的每个第一柱2250在任一切向侧具有来自相A的导体2142。定子2106上的每个第二柱2252在任一切向侧具有来自相B的导体2144。并且定子2106上的每个第三柱2254在任一切向侧具有来自相C的导体2146。
这种分层绕组配置允许在柱之间的导体之间的空间中的径向冷却流体流，但是端部线匝将槽密封，以避免从径向进入槽中的通道。为了提供到径向通道2150的流，将导体2142预制为在每个柱2114的端部处具有轴向流动路径2152，如图68所示。该轴向流动路径2152允许在槽2147中的通道2150中的径向流体流在柱2114的端部沿周向流动，然后在轴向流体路径2152中沿轴向流动，然后在不同层上的径向流动通道2150中径向向外(或向内，具体取决于冷却剂流动方向)流动。
该流动路径在图68中示出，其中粗箭头示出了直到入口通道2154的气流，该入口通道与柱2114径向对准。粗虚线箭头表示入口通道2154中的径向流。细虚线表示横穿柱2114的端部的切向流，然后是柱2114端部的空间2152中的轴向流。长虚线表示导体2142之间的通道2150中的径向向外的流。通过以这种方式在柱2114的端部形成轴向流动路径2152，冷却流体具有多条路线，使它可以切向和轴向地流动以连接入口并将空气排出到径向流动通道2150。
图69示出了具有类似箭头的相同流动路径。务必注意，柱端部空间2152允许冷却流体进入一层并且在不同层上的通道2150中径向流动。
分层导体系统的实施方案可以包括径向锥形槽中的径向锥形导体，以实现更高的槽填充百分比，压印导体以便于制造的能力，分层结构以简化和提高组装精度，实现更大的制造一致性的能力，实现均匀流体流动通道以实现均匀冷却的能力，以及相对于导体体积产生冷却剂与导体的大表面积接触的能力，以通过主动冷却装置进行更有效的冷却。
如图63等所示的分层导体系统的实施方案的特征在于，大部分层的导体的相同厚度，以及可变宽度，其包括在端部线匝处的较宽部分，这获得了垂直于电流方向的更大横截面。端部线匝处较宽的横截面是有益的，因为它通过平方效应减小了端部线匝的电阻和热量产生，从而允许端部线匝在比槽中的较窄导体更低的温度下运行。槽线匝和端部线匝之间非常低的热流阻力以及端部线匝的较大横截面积为槽中产生的热量提供了非常有效的散热器。端部线匝的较大表面积(与端部线匝的宽度等于或小于槽中导体的最大宽度的情况相比)提供增大的表面积来实现冷却流体相互作用(在端部线匝被主动冷却的情况下)和/或实现通过连续电导体层端部线匝轴向地到达壳体的热传导。
该分层导体系统可以使用任何数量的层。该导体系统可以使用任何数量的相。对于所有的相数，导体可以例如填充两个相邻的槽，其中电流在这些槽中沿相反方向流动，然后跳过X-2个槽，其中“X”是相数。例如，对于四个相，层上的每个导体将跳过两个槽，而不是跳过一个槽，后者是三个相的情况。对于五个相，每个导体将跳过三个槽，依此类推。
示例性轴向通量电机
该设备的非限制性示例性实施方案2156的横截面视图在图70中示出，平均气隙直径为175mm。具有2146永磁体(未示出)的转子2158与2146径向通量路径构件2160相对应，旋转地固定在两个定子2162之间的轴承上，每个定子2162具有144个柱2164和144个槽。使用了三相控制，尽管其他数量的相是可能的。如图71所示，来自三相中每一相的导体2166位于两个相等且径向相对排列的各有24槽的区段中。三相的每一相中的第二区段沿反向电流方向通过导线连接到第一区段，并且相的各区段通过导线反向连接到与其旋转相邻的相。导体2166可以是传统导线，但也可以是如图70至图78所示的分层导体系统。在该实施方案中，各区段中的相中的导体2166在一个圆周方向上，在各相邻槽中沿径向交替；在区段末端的反向圆周方向；以及相反圆周方向上的交替径向，使得电流始终在槽中的所有导体中沿相同径向流动，并且与该区段中的相邻槽相比，各个槽在给定时刻具有相反的电流方向，使得区段中的柱在通电时刻被交替极性磁化。
各有24槽的6个区段的导线图案如下所示，其中“A”指示电路在一个方向上接线，而“a”指示相同电路在相反方向接线，不同的字母指示不同的相位。仅显示前6个槽。
槽
Figure GDA0002971228310000411
以上是一个定子的相位和极性图案。对于具有两个定子的实施方案，并且其使用例如本文中公开的转子，在径向通量路径构件的两个轴向端具有相同极性，则第二定子布线的物理结构应围绕穿过转子中心的平面进行镜像。然而另一个相比，电流应该在与一个定子上的轴向对齐柱中的相反(顺时针/逆时针)方向上。
144∶146尺寸不是限制性的；可能使用多种槽数量和磁体数量。
图72示出了简化的定子2172的截面图，其具有使用上述惯例的来自可见相的导体2174的起始和终止连接2176的相位和极性。
由于该设备的齿槽台阶非常高，因此齿槽振幅预计非常低。因此预期不必如图56所示将定子彼此成角度定位。
用于轴向通量电机的示例性冷却结构
可以使用被动冷却，例如通过从电导体到每个定子的定子护铁后表面的传导热传递。在图70和图71的实施方案中，护铁2170可以由单件材料制成，例如实心铁或钢，并且可以是低导电率但高磁饱和材料，诸如但不限于粉末状PermendurTM 49Fe-49Co-2V或另一种可以是非扁平形状的软磁性材料。在这种情况下，实心意味着定子的磁性材料是连续的并且没有非磁性叠层。
定子2162在定子2162的背面上具有一系列散热片2178，其增加了表面积并为诸如辐射效应和对流流体流动的被动冷却提供了增加的冷却速率。散热片2178还将增加主动冷却的效果，诸如迫使气体或液体在散热片2178上方。散热片2178也可以密封在诸如壳体(未示出)的腔室内。这里示出的散热片2178不是径向对齐的。这是为了形成具有径向对齐的柱2164的结构矩阵，以增加周向刚度。该定子配置的轴向构造和短轴向特征使其适用于粉末磁性材料的构造。柱2164和片2178可以在轴向方向上逐渐变细，以便于压制成形或用于其他制造方法。导体2166也可以具有从槽底部到槽顶部的不同宽度，以在各槽深度实现所需的槽填充。
在图73所示的实施方案中，导体系统提供不间断的轴向导电热流路径2180的组合，这是由于槽2185中的导体宽度大于50％并且没有导体2186的缺失层，并且如果需要，径向冷却流体流动室可能通过通道2182。根据本文公开的原理，这可通过多种方式实现。在图73所示的示例性实施方案中，柱2184任一侧的导体2186足够靠近柱2184两侧上的柱2184，以允许柱2184在两个圆周方向上精确地定位导体2186并创建导体2186与柱2184侧之间的粘结2188。这种精确定位有助于确保在导体2186的相对侧上形成间隙2182。导体2186的这种预制的变窄和确保其偏心并且接触槽2185一个壁的形状有助于在非接触的周向面对侧上提供结构刚度和流体流动功能。
该构造的另一个特征是在槽2185中的导体2186的仅一个周向面对侧上的间隙2182。这有助于确保灌封化合物或清漆不填充通道2182，与一个大通道相比，使用两个小通道更有可能出现。该构造还有助于确保每个导体2186具有到柱2184侧面的周向传导热流路径2190。
由于图73所示的构造，来自槽2185中的导体2186的热量具有通过导体2186到定子2193的护铁2194的不间断轴向热传导路径2180，到柱2190的周向热传导路径，允许从柱到护铁2192的短热流路径。从护铁2196的后表面，来自定子2193的热可以如图所示传导地传递到壳体2198，或者传递到冷却流体，或者辐射到另一个主体(如其他实施方案中所示)。
图74中的实施方案具有槽2203整个宽度的周期性层2200，以及比槽2203更窄的周期性层2202。层2202可以预制为位于每个第二柱2205的两侧。这提供了一致且可重复的流体流动通道2201，其具有灌封化合物阻塞通道的最小可能性，如果较窄导体2202居中则会增加风险。较窄的导体2202可以轴向较厚以匹配较宽导体2200的横截面积。在这种配置中，导体2202可以窄于50％，同时仍然提供槽2203中导体的结构刚度。对于层使用窄于50％宽度的选项允许通道2201的横截面积大于图73中所示的单个厚度构造。
图75示出了图74中实施方案的四层的分解图。与较窄但轴向较厚的导体2202相比，此处清楚地示出了导体2200较宽但轴向较薄的区段。
如果对于应用而言每个柱需要更高的线匝数，则多层较薄的导体2206可以具有与图76中所示相同的轴向轮廓。这允许多层厚度的流体流动间隙2208具有防止灌封化合物阻塞间隙的优点，或者允许使用较厚的灌封化合物而不会永久地填充流体流动间隙。
多个较薄层2206可以平行或串联使用，具有各种效果。在一个实施方案中，较厚的层(未示出)可以与槽底部的相邻层串联连接，较薄的层可以在槽的顶部并联连接。据信平行的较薄层具有在转子旋转期间减少最靠近永磁体的导体中的涡流的优点。
所有这些实施方案都受益于在柱的一个或两个径向端的轴向冷却流体流动路径，其由于径向导体槽比其部分环绕的定子柱长，这允许槽中流体流动进入或离开槽中与径向流动不同层上的导体区段。柱的径向端部限定径向端部。
这些导体构造的变型可以与本导体系统其他实施方案的其他变型组合。
图71中的导体预制，以在导体2166侧和柱2164侧之间的槽2167的一侧上提供间隙2169。该间隙2169与柱2164端部的轴向流动路径2168组合，其允许冷却流体在柱2164的端部沿周向流动，然后沿着柱2164的端部通过间隙2168轴向流动，然后在来自不同层上的两个槽2167的导体之间的间隙2169中径向向外(或在流动反转时向内)流动。导体2166在每个第一柱2164的两侧具有间隙，并且在每个第二柱2165的两侧紧密配合。
轴向相邻的导体层之间的电连接可以通过多种方式完成。电连接可以在轴向相邻的导体元件之间，以串联连接轴向相邻的导体元件的电流路径。一个实施方案使用区段末端的槽中的两个导体的重叠表面区域来提供用于焊接(或其他电连接方法)的大表面积。在槽中使用来自两层的两个导体允许多达两层的整个槽长度用作单个导体。这降低了电阻，足以降低该槽中的冷却要求。这是重要的，因为在焊接连接处保持精确的流动通道将更加困难，因此在高产量中可能更难以保证流体流动。
在图77中示出了允许在槽中双重重叠表面层连接的导体的构造。导体2218将被涂覆或以其他方式绝缘，例如在层之间用纸或阳极化，除了端槽中的区域，该区域中来自相邻表面上的导体2218的两个配合表面2220和2222将未绝缘并且用一个电导体连接在一起。构造方法包括在区段的交替端用手动或自动焊接连接，如同每层放置在另一层的顶部。将这些表面预先镀锡将使该过程精确地完成。这些表面的点焊可以允许电连接而不增加关节厚度，并且将消除过量焊料与其他表面发生不希望的接触的风险。如果使用铝导体，则可以对它们进行硬质阳极化，然后准备镀锡(例如通过在阳极化期间掩蔽，然后可以在惰性环境中剥离连接表面的氧化)。在仍处于惰性环境时，可以将表面镀锡或涂上焊膏。这可以保护铝连接表面在储存和组装过程中免受氧化。相同的过程可以用于端部连接2224。在组装导体2218的区段期间，这些层然后可以全部堆叠在单独的组装固定装置内，或者在定子(未示出)内。在导体上短时间施加高电流可以产生足够的热量以将镀锡焊料熔化在一起，或者可以使用回流炉来熔化焊料或焊膏。在连接层并将导体定位在定子槽中之后，可以使用灌封化合物或清漆等来置换定子槽中的所有空气(或其他气体)。为了确保在使用期间冷却剂流动通道打开，通过某些方式从冷却剂流动通道移除灌封化合物或清漆等，方式包括但不限于气流和/或重力和/或离心力。
如果在一个实施方案中没有实现径向槽内冷却流动室，则图78的设备仍将提供电导体2218的较大端部线匝圆周横截面积(与槽部分的径向横截面积相比)的益处，以减少热量产生并增加用于冷却的表面积并提供轴向堆叠的端部线匝的更大不间断横截面积，从而允许热量以更低的阻力流动到与端部线匝轴向对齐的护铁或壳体(未示出)。与端部线匝中相同或更低的横截面积(垂直于电流)相比，较大的横截面积也在端部线匝中提供了更大的体积。
该实施方案的主动冷却也可以通过径向流体流动来完成，但是没有缺失的导体层，因此可以使用替代构造来提供一致尺寸和间隔的径向流体流动通道。轴向间隔导体是可能的并且会使导体的大表面积暴露于流体，但是这将难以实现一致的间隙，并且不能很好地适合具有低刚度的薄导体层。一个或多个导体层可以用在宽度比其他层上的导体窄的槽中，以及/或者一个或多个导体可以用在宽度相同但周向偏移的槽中，使得导体在轴向上重叠，但是比另一个更接近槽的一个圆周侧。通过从槽的圆周侧到槽的另一个圆周侧交替连续或周期性层，可以从离定子护铁最远的导体到槽底部产生不间断的热传导路径。同时，可以在导体层之间形成一个或多个径向通道，以提供穿过槽中导体表面的冷却剂流。
在一个实施方案中，槽中的一个或多个导体是槽的整个宽度(减去用于绝缘和组装的间隙)，并且槽中的一个或多个层比槽窄，以便创建用于流体流动的间隙。
在一个实施方案中，槽中的一个或多个导体是槽的整个宽度(减去用于绝缘和组装的间隙)，并且槽中的一个或多个层比槽窄并且不居中，以便仅在较窄导体的一个圆周侧上为流体流动创建间隙。
在一个实施方案中，槽中的一个或多个导体是槽的整个宽度(减去绝缘和组装的间隙)，并且槽中的一个或多个导体比槽窄并且比较宽的导体厚，使得槽中所有导体的横截面更为一致。
类似于图67中的实施方案，该实施方案在柱的端部使用轴向流动通道，以提供径向/周向/轴向流动路径，以使流体进入或离开径向流动路径通道。
提供冷却剂流动通道的所有导体实施方案可以用清漆或灌封化合物灌封，以便在组装到定子的期间获得刚性和热传递。为了在灌封化合物或清漆等已经硬化后保持冷却通道，应旋转定子以从大流动通道中离心灌封化合物或清漆等。重力滴注可用于足够低粘度的化合物或在设定/固化/干燥过程中通过通道的加压气流，也可用于确保流动通道打开并保持打开直到灌封化合物、清漆等凝固。化合物的粘度和液体化合物移除方法以及导体和柱之间的近接触间隙的尺寸应使得液体移除工艺从通道中清除化合物，但允许化合物或清漆等保留在近的接触间隙中。
电机中的示例性通量控制结构
图79中所示的绕组允许非直线的柱形状，诸如弯曲或可变宽度的柱2226。
为了增加来自永磁体的跨过转子和定子之间气隙的通量，可以缩短从永磁体的N侧到永磁体的S侧的磁链路径。在轴向对齐的永磁体转子中，这可以用由软磁性材料制成的实心护铁来完成，材料诸如但不限于钢，如图102所示。在这种情况下，来自永磁体2370的通量将通过护铁2372连接到相邻的永磁体2370和/或连接到护铁2372的相对轴向面上的相对永磁体2370的相反极性面。
由轴向通量永磁体(AFPM)机产生的扭矩尤其受到在转子和定子之间相互作用的通量的密度的影响。为了最大化转子/定子界面处的通量密度，并由此最大化可产生的扭矩，转子可以使用紧密配合在永磁体(PM)的切向取向的极面之间的软磁性材料来引导通量到达转子两端上的定子界面。因为PM的轴向尺寸可以远大于它们可用的切向空间，并且软磁性材料具有比PM更高的饱和值，所以与定子相互作用的通量密度增大。PM被切向地布置成NSSNNSSNNS等，使得两个相同极性的极切向地彼此面对。PM的交替取向意味着软磁性材料在它们之间的向内和向外延伸部变成交替极化的SNSN等，每个径向延伸的通量路径构件在两个轴向端部具有相同的极性。PM的轴向尺寸的范围可以改变以适应它们的强度，这样使用较低强度的磁体就可以产生相对高的扭矩。轴向尺寸使得PM永远不会突出于交替极性的轴向面。
为了适应由于外部载荷引起的相对角运动和偏转，通常在转子和定子的轴向面之间存在轴向间隙，称为气隙。来自PM的通量在它们之间的软磁性径向构件材料中产生交替的磁极，并且定子的电磁体的磁极提供连接这些交替的磁极的通量路径，即使没有电力供给EM。这导致转子和定子之间的吸引力。如果气隙较小，则转子和定子之间的吸引力较高，因此尽管在转子两端具有相同的气隙，但朝向定子的吸引力将是相等且相反的，任何角位置处气隙的任何变化都将产生导致位移增大的净力。这种趋势需要轴承和足够的转子刚度，以避免在运行期间定子和转子之间的接触。
下面描述的设计结合了单件式转子结构，其中用于承载通量的软磁性材料(诸如钢或铁或钴)或其他软磁性材料或合金也提供结构刚度。轴承诸如但不限于预加载的一对角接触轴承，在转子和控制偏转所需的静态结构之间提供力矩刚度并避免共振。
在一个实施方案中，如图80至图86所示的转子2228具有切向极化的永磁体2230，这些永磁体被布置成NSSNNSSNNS等，使得两个相同极性的磁极切向地彼此面对。转子2228的外侧区域2234包括向内突出的规则或等间隔的径向通量路径构件2232的阵列，这些径向通量路径构件与在转子的内侧区域2238上的相等数量的规则或等间隔的向外突出的径向通量路径构件2236互相交叉并且为永磁体2230提供通量路径。径向构件2232、2236的互相交叉有助于使转子2228具有非常高的刚度。互相交叉克服了提供单件(或两件式)铁素体结构的挑战，而不会产生会使磁体2230短路的磁链路径。转子2228应具有足够的刚度，使得在转子2228运行期间的弯曲是气隙长度的一部分。
由于永磁体2230的切向交替的取向，其与转子的外侧区域2234一体的所有向内突出的径向通量路径构件2232将具有一个极性，并且与转子的内侧区域2238一体的向外突出的径向通量路径构件2236将具有与此相反的极性。在该示例性实施方案中，只有转子2228的内侧区域2238诸如被轴承(未示出)支撑到定子壳体(未示出)，但是可以使用另外的轴承。只在转子的ID上使用轴承可以降低制造成本和马达/致动器重量，并且可以通过转子的高强度和刚度来实现。在一个实施方案中，转子2228的内侧区域和外侧区域由图82和图83中所示的小突片2240、2242整体连接。图82示出了向内构件2232与转子2238的内侧部分之间的结构连接，并且向外构件可以穿过轴向宽度减小的突片2240和/或穿过永磁体(未示出)。图83示出了向外构件2236的最外端和转子2228的外侧部分2234之间的结构连接穿过轴向宽度减小的突片2242。这些突片将形成从内侧转子环2238或外侧转子环2234中的一个上的N磁体面到内侧转子环2238或外侧转子环2234中的另一者上的磁体S面的通量返回路径。该通量返回路径将减小转子2228和定子(未示出)之间的气隙中的气隙通量密度，但是已经通过FEA和FEMM分析以及原型测试证明，内侧转子构件2238和外侧转子构件2234之间的连接强度和刚度由突片2240、2242阵列充分地实现，这些突片具有足够小的横截面以仅允许损失低百分比的永磁体PM通量。
图84示出了转子2228的示例性实施方案，其中没有磁体2230以示出磁体保持器2244。这些保持器用于轴向地定位磁体2230并且位于槽2248的交替的端部，需要在组装期间将一半磁体2230从转子2228的一侧插入而另一半磁体2230从转子2228的另一侧插入，如图85所示。每半组磁体2230的极性在相同的切向取向上，这提高了组装的稳定性。可以使用粘合剂将磁体2230固定就位，并且可以通过对开口槽端部进行敲击来进一步固定，诸如在与保持突片2244相似的径向位置的两个位置处，以将局部槽宽度减小到小于磁体2230的厚度。穿过转子2228的孔2245可以允许空气流动，使得可以通过使空气或其他流体仅流过壳体结构的一侧(未示出)，来实现转子2228两侧上的定子电磁体(未示出)的冷却。穿过转子2228的沉孔2246用于在制造期间夹紧。图86将内侧转子环2238的轴向表面和向外突出的通量构件2236的轴向表面以黑色示出，以更清楚地示出向内延伸的通量路径构件2232和向外延伸的通量路径构件2236可以全部由单件构造制成，但是除了将构件(柱)连接到另一个环(端铁)的连接部分之外，向内延伸的构件2232和向外延伸的构件2236彼此磁性隔离，在该实施方案中形成为具有比柱或端铁的横截面更小的横截面的突片2240、2242。与径向延伸的通量路径构件2232、2236相比，突片2240、2242的横截面可以足够小，使得它们将从PM通量饱和，因此将不允许超出该通量水平的明显增加的磁链。
其他变型包括其他非磁性材料的插入件，其用于突片、内侧构件和外侧构件，其中径向延伸的通量路径构件如这里所示没有连接突片。在这种情况下，带有磁体的主体将是内侧转子环和外侧转子环之间的主要结构连接。
由稀土磁体产生的磁力，例如，与通量路径构件的通量聚焦效应相结合，可以产生巨大的轴向力。在这里所示的示例中，外径约为9”，可以对定子产生高达1500磅的轴向吸引力。可以使用适当坚固且刚性的结构来防止在使用期间的损坏和有问题的振动。具有互相交叉的构件的转子将结构刚度和通量聚焦功能提供到相同的径向延伸构件中。这些向内构件和向外构件的互相交叉在构件切向表面和磁体之间提供了高表面积接触，以有效地使用通量并具有高强度和刚度。
用于轴向通量电机的示例性转子
转子可以由如这里所示的单件式构造制成，或者由夹在一起的两件或更多件制成。磁体可以是任何形状，包括在任何方向为锥形以提供通量路径效应和结构效应。可以使用任何类型的磁体。可以使用任何数量的磁体。可以使用任何的磁体宽度。转子的一个或两个轴向面可与定子组合使用。可以使用多个转子。多个圆形磁体阵列可以与两个或更多个阵列中的不同数量的磁体一起使用。该转子可与致动器或马达或具有任何数量的相或极的任何磁性机器或设备一起使用。
下面描述的设计结合了两件式转子结构，其中诸如钢或铁或钴的软磁性材料或用于承载通量的其他软磁性材料或合金也提供结构刚度以定位转子来抵抗该设备的可能非常高的磁力，并支持致动器上的输出负载。轴承诸如但不限于预加载的一对角接触轴承，在转子和控制偏转所需的静态结构之间提供力矩刚度并避免共振。
图87至图92示出了转子2260的一个实施方案，该转子被构造成两个多少成镜像的半部2262和2264，然后将半部用螺栓连接或以其他方式紧固或连接在一起。在该实施方案中，锥形磁体2266可以与锥形转子构件2268、2269组合以为磁体2266提供机械安全性，并且还允许更宽的切向磁体部分更靠近转子2260的中心平面，那里通量路径构件2268、2269的通量密度更低。这更好地利用了可用于永磁体2266的空间和可用于软磁性材料的空间。图90示出了永磁体2266，其相对位置与它们安装在转子2260中时的相同。这示出了永磁体2266如何以交替的切向极性NSSNNSSNNS等布置，使得两个相同极性的磁极在切向彼此面对。
转子2262、2264的两个半部包括向内突出的径向通量路径构件2268和向外突出的径向通量路径构件2269，类似于前面讨论的转子2228的实施方案。在图87中所示的示例性实施方案2260中，只有转子2260的内侧区域2272诸如被轴承(未示出)支撑到定子壳体(未示出)，但是可以例如在转子的ID或OD上使用另外的轴承。只在转子的ID上使用轴承可以降低制造成本和马达/致动器重量，并且可以通过转子的高强度和刚度来实现，这使得对于许多应用而言不需要另外的轴承。
在一个实施方案中，转子2260的内侧区域和外侧区域由类似于图86中的突片2240和2242的小突片整体连接。
图91是穿过两个转子半部2262、2264沿切向截取的截面，示出了向外突出的径向通量构件2269与转子的外部部分2274之间的连接突片2270的轴向范围。这些突片2270将形成从向内突出的径向通量路径构件2268上的磁体面到相对的极的向外突出的径向通量路径构件2269的通量返回路径。该通量返回路径将减小转子2260和定子(未示出)之间的气隙中的通量密度，但是已经通过FEA和FEMM分析以及原型测试证明，内侧转子构件2272和外侧转子构件2274之间的连接强度和刚度由突片2270阵列充分地实现，这些突片具有足够小的横截面以仅允许损失低百分比的永磁体PM通量。磁体2266由其锥形几何形状可靠地保持，并且可以使用粘合剂进一步固定就位。穿过转子2260的孔2275可以允许空气流动，使得可以通过使空气或其他流体仅流过壳体结构的一侧(未示出)，来实现转子2260两侧上的定子电磁体(未示出)的冷却。穿过转子2260的沉孔2276用于在制造期间夹紧。
向内延伸的通量路径构件2268和向外延伸的通量路径构件2269可以全部由单件构造制成，但是除了横截面减小的突片2270和在转子2260的内部部分上的相似突片之外，向内延伸的构件2268和向外延伸的构件2269彼此磁性隔离；与径向延伸的通量路径构件2268、2269相比，这些突片的横截面可以足够小，使得它们将从PM通量饱和，因此将不允许超出该通量水平的明显增加的磁链。
尽管如其他地方所述，可以使用螺栓、铆钉或类似物将转子2260的两个半部2262、2264保持在一起，但除此之外或另选的保持方法是使用具有一个或两个内锥形面2280的外环2278，如图92所示。外环的内径可用于确保转子的两个半部2262、2264之间的同心度。该外环2278可以通过在其与转子的两个半部2262、2264之间产生热差别来安装。为环2278使用高膨胀材料(诸如但不限于铝合金)将减小安装环2278所需的温差。
各种实施方案可包括：转子与定子相邻，转子位于定子的每一侧上，转子位于一对背靠背定子的每一侧上，或这些配置的组合。
具有转子间两件式定子的示例性轴向通量电机
图93至图97示出了电机2281，其中转子位于一对背对背定子的每一侧。图94示出了转子2282包括两个一定程度镜像的半部2283，在该示例中，其通过由两个角接触轴承2286从定子底板2284支撑。与先前描述的在定子之间具有转子的设计一样，转子的每个半部2283的外部区域包括向内突出的等间隔径向通量路径构件2288的阵列，其与相等数量的等间隔向外突出的，在转子2282内部区域的两个半部2283上的径向通量路径构件2290相互交叉，如图93中本实施方案的扩大视图所示。定子底板2284可以是高热导率材料，例如铝。该实施方案的定子2292的构造如图95所示。定子2292包括护铁2294、柱2296和来自护铁后部的轴向突起2298。定子后表面上的轴向突起2298通过机械装置或粘合剂粘结固定在定子底板2284上的槽2300中，如图96所示。图97示出了设备2281的横截面。径向通道2302形成在定子柱2296、定子护铁2294和定子底板2284之间，用于流体流动，例如空气或液体或可用于冷却设备2281的相变流体。每个定子柱2296通过护铁2294的厚度进行支撑，并且接合在定子底板2284中的槽2300中。此处使用的定子组件示出了熔合到护铁2294的定子柱2296，因此没有接口线可见。在该示例中使用锥形磁体2304，因为朝向定子2292的吸引力将它们固定到转子2282的主体中。围绕定子柱定位的导体未在这些图中示出，但是类似于位于转子外部的定子的配置中描述的导体。
具有转子间定子的示例性轴向通量电机
另一个实施方案包括在单件式定子每侧上的一个转子。图98示出了电机2306的这种实施方案的横截面。转子包括两个一定程度镜像的半部2308，在该示例中其通过由两个角接触轴承2312从定子2310支撑。与先前描述的在转子之间具有定子的设计一样，转子的每个半部2308的外部类似于图81中的转子，包括向内突出的等间隔的径向通量路径构件的阵列，其与转子内部上相等数量的等间隔的向外突出的径向通量路径构件相互交叉。为了防止转子两个半部2308之间的通量流动，它们都具有相同的极性。因为每个转子半部2308的内部部分根据其磁体极的取向而变得极化，相同的磁体极将抵靠每个转子半部上向外突出的径向通量路径构件放置。穿过定子2310中心部分示出了孔2314，其可用于承载可用于冷却设备2306的任何流体。图99示出了设备2306的横截面。在该示例中使用锥形磁体2316，因为朝向定子2310的吸引力将它们固定到每个转子半部2308的主体中。定子2310包括两组一定程度镜像的定子柱2318。围绕定子柱2318定位的导体未在这些图中示出，但是类似于位于转子外部的定子的配置中描述的导体。
对于从导体到散热表面的低热流阻力，该实施方案的传导热传递类似于其他实施方案，不同的是在这种情况下，气隙处导体的顶部是散热表面。为了冷却可以提供冷却流体通过气隙的主动循环。与所公开范围之外的几何形状相比，该配置中线圈的直接冷却也将受益于该几何形状。可以用一个定子和一个转子完成类似的配置。
示例性机械结构
以下给出了如何在机械应用中使用致动器(具有所公开的槽密度和导体体积构型中的一者或其他公开特征的马达)的非限制性示例。图100示出了该示例性系统的示意图。示例性系统包括静态机械臂2336，其支撑10kg的标称有效载荷2338，并具有沿臂间隔的四个致动器2340、2342。因此，机械臂2336上至少一个致动器2340、2342由另一个致动器支撑。三个致动器2340的尺寸和扭矩产生能力可相同，其中两个位于肩关节，一个位于肘关节。位于手腕的剩余致动器2342是先前致动器尺寸和重量的一半。腕部致动器2342在该示例中是不活动的，并且仅考虑其添加到系统的重量。主动致动器具有的平均气隙直径为200mm，径向齿长为32mm。估计与每个致动器2340、2342相关联的壳体和外围设备等于致动器的有效重量，使得总重量估计为有效重量的两倍。致动器2340之间从中心到中心的距离是0.5m。每个臂2336的重量估计为包括标称有效载荷2338的任何下游系统部件的总质量的20％。在该示例中，模拟将700W/m2K的强制液体冷却速率施加到每个致动器2340中的每个定子的后部。在静止位置分析系统，其中臂2336是水平的并且提供足够的扭矩以保持有效载荷2338。系统的功率消耗等于肘部和两个肩部致动器2340消耗的总功率。在该示例中，发现系统功率消耗在所公开的范围内显著下降。这是由于设备重量对所需扭矩的复合作用。随着每个单独致动器的重量下降，来自任何上游致动器所需的扭矩减小。对于具有指定结构和有效载荷的任何特定系统，存在一种几何结构，其系统功率消耗最小化。达到这个结论所需的计算假设连续扭矩温度限制为70℃。系统中的一个致动器必须超过该温度限制以支持有效载荷的任何几何形状被归类为过热并被排除。具有非常大的槽间距和导体体积的几何形状会过热，因为上游致动器不能产生足够的连续扭矩来支撑下游致动器。它们受到致动器重量的限制。具有非常小的槽间距和导体体积的几何形状会过热，因为上游致动器不能产生足够的连续扭矩来支撑有效载荷。它们受有效载荷重量的限制。任何特定系统的最佳几何形状将在产生足够的扭矩以满足系统要求和最小化致动器重量以降低总功耗之间取得平衡。
图101示出了机械臂2348上的电机的安装配置。该设置可以如图101中示意性地示出，具有三个或更多个致动器。电机2350和2352可以如所公开的那样设计，具有所公开的任何一个或多个新特征，例如如图56所示。在该示例中，电机2350和2352作为致动器运行，并且将被称为此类。致动器2350由机械臂2348的第一壳体或结构部件2354通过任何合适的装置支撑。可以通过缆线2356从合适的电源(未示出)向致动器2350提供电力。壳体部分2354可以附接到支撑结构，例如机械的另一部分或壁2355(示意性地示出)。
第二壳体部分2358固定到致动器2350的转子2360。致动器2352通过任何合适的装置固定到壳体部分2358，使得致动器2352由致动器2350支撑。可以通过缆线2362向致动器2352供电。致动器2352的转子2364通过任何合适的装置固定到机械臂2348的第三壳体部分2366。图100中所示的另一个致动器可以结合在壳体部分2366中，并且该致动器可以根据图56制成并且从缆线2368供电。随着与支撑件2355的距离增加，臂上的致动器2350、2352和其他致动器可以做得更小。机械臂2348上的任何致动器可沿臂充分间隔以具有360度旋转，例如致动器2352。
实心和层叠的定子或转子构造
在一些实施方案中，可以使用层叠的定子或转子。在图103中，示出了层叠的柱定子配置。该示例性实施方案具有槽2380的阵列，其用以接收层叠的柱2382的阵列。护铁盘2384可以是层叠构造或烧结构造或这里所示的实心结构。通量线通常在轴向通量马达中沿切向移动，因此有效的层叠结构将需要使每个柱和护铁的层叠物沿切向对准。实现这种对准的一种方法是将一条层叠料卷成紧密的螺旋状，如一卷胶带，在每个叠层之间具有粘合剂层。在线圈固化之后，通过机加工工艺移除材料以形成径向柱和槽。
具有所公开范围内的特征的电机的实施方案的大量相对较小的柱使得期望在定子的构造中使用尽可能少的部件。如果使用叠层，则可以通过使用径向对准的叠层来减少层叠部件的数量，如图104所示。该实施方案结构的一个缺点在图104中的护铁2384和层叠柱2382的连接部示意性地示出，其中通过护铁2384在柱与柱之间链接的通量2386必须穿过叠层2390之间的一个或多个绝缘层2388之间。绝缘层(在柱2382处示意性地示为粗线)对于减小涡流是有用的并且可能是必要的，但是它们充当气隙，这会增大通量路径的磁阻，导致扭矩和效率的损失。这种结构几何形状的另一个缺点是由具有所公开范围内的特征的电机的非常薄的护铁2384产生最小胶合线2392。考虑到电机的一个实施方案的柱2382上有非常高的轴向载荷，因此在一些应用中依赖于该胶合线2392可能在结构上不合理。
提出了一种构造来帮助防止定子柱从其槽中被拉出，同时在柱和护铁之间提供金属与金属的接触，从而不会迫使通量穿过任何绝缘层。图105和图106示出了定子2398和壳体或盖构件2412的层叠柱构造的非限制性示例性实施方案，其为护铁2400和柱2402之间的大部分磁链连接提供足够的拉出强度以及金属与金属的接触。为了实现必要的结构完整性，柱2402延伸通过护铁2400足够长以提供多种功能。延伸材料允许使用锥形倒钩2404以便于组装并提供机械拉出止动件。在该非限制性示例性实施方案中，倒钩2404靠近狭缝2406，该狭缝足够长以允许在组装期间柱2402的弹性变形。可以使用其他机械装置作为机械拉出止动件，允许从一侧插入柱并随后提供对从该侧抽出柱的阻力。例如，可以使用棘轮状设计，其中柱和接触铁的接触表面以防止它们在向表面施加压力的情况下在抽出方向上彼此滑动的方式成形，或者利用被构造成这样做的弹簧，或者利用在将柱插入定子之后激活的其他机械装置。
柱2402的超出护铁2400的后表面的突出部分2408被插入在盖构件2412中具有相似宽度的槽2410中。在一个实施方案中，该盖2412由轻质材料诸如铝或复合材料诸如碳纤维制成。柱2402的突出部分2408的表面积足以允许与盖槽2410的结合，以向组件添加为承受具有所公开范围内的特征的电机的实施方案的高磁力所需的刚度。所示的实施方案包括每个柱一个中央叠层2409，该叠层具有突出部分2408；然而，每个柱可以使用多于一个具有突出部分的叠层。
盖构件2412的内表面上的槽2410之间的径向空间2414可用于减轻重量和冷却流体的流动。图106中还示出了在柱2402中使用狭缝2416，该狭缝穿过突出的中心叠层2409并且穿过柱2402上的轴向较短的叠层2418，甚至穿过不包括倒钩2404的较短叠层2418。这是为了允许突出的叠层上的倒钩2404在组装期间弯曲。
该示例性实施方案中的每个柱2402在插入定子槽2420之前在子组件中胶合在一起。然后将导体(未示出)缠绕或放置在柱2402周围，然后用灌封化合物封装导体。除了盖构件槽2410的稳定效应之外，灌封化合物将用于为层叠柱2402提供周向强度和刚性。
需注意，粉末金属或实心材料可以与这里为层叠柱所示的那些类似的保持特征一起使用。如果为柱使用实心或粉末金属，则认为其不太复杂且不太昂贵，并且机械上更坚固以制造整体构造的支柱和护铁。
在该示例性实施方案中，通过在较长叠层2409的侧面上使用轴向较短的叠层2418实现了磁通路径完整性，其中部件2408突出穿过护铁2400，如图107所示。为了在定子护铁2400和柱2402之间实现足够的金属-金属接触来获得低磁阻磁链2424，在护铁2400和叠层2409之间的接合部2426以及在护铁2400和叠层2418之间的接合部2428的所有绝缘体都已被移除，如图107所示。其余的绝缘体2430在柱2402中的一者处示意性地示出为粗线。与图104中的示例性实施方案在2388处移除磁通路径的绝缘体不同，图107中在2426和2428处移除绝缘体导致叠层2409和护铁2400之间以及叠层2418和护铁2400之间的金属-金属接触来获得低磁阻磁链2424。
在图107所示的示例性实施方案中，认为使用实心护铁盘2400与100％实心定子和柱相比充分减少了涡流，因为护铁是通量路径的相对小部分(未示出)并且因为护铁盘2400可以轴向地足够厚以与柱2402中的磁通密度相比减小磁通密度。涡流和磁滞损耗随着磁通密度的增加而增加，因此对于其中层叠柱的益处被认为是值得的某些应用，使用由实心金属诸如铁或钴或镍合金制成的护铁盘可以提供足够的效率和所需的结构完整性。在为护铁使用实心材料的情况下，可以使用具有低导电率(和高导热率)和高通量密度的合金。
可以利用环氧树脂或其他粘合剂或焊料或钎焊或超声波焊接等来完成将突出的柱部分粘附到盖的槽上。高强度焊料具有提供有利于冷却的良好热传递的优点。
铝导体涂层构造和方法
所公开电机的一些实施方案包括涂覆的铝导体。公开了一种制造和涂覆用于电机的铝导体的方法，其包括在导体上形成阳极化表面处理用于电绝缘，使得导体的高散热和低成本制造成为可能。所述过程还可以使用各种构造和组装步骤来实现高电流密度，尤其是当与所公开范围内的马达/致动器组合使用时。该过程可用于制造电机，诸如但不限于电机的实施方案。
对于所公开的电机的这个实施方案以及通常用于电机而言，有利的是产生具有重量轻、热传递良好和低成本的导体构造。电动马达导体通常由铜线制成，铜线预先用聚合物涂层或铝线或箔绝缘。与铜相比，铝的优点包括每体积重量更低和成本更低。铝的缺点是它具有比铜更高的电阻，并且在相同的电流密度下产生更多的热量。一种预绝缘铝导体的方法是使用阳极化表面处理。与在普通线导体上使用的示例性聚合物膜相比，阳极化的优点是非常坚硬的表面，其在组装期间保护导线，有高介电强度和2至4倍更好的热导率。
阳极化铝导体提供低成本、高表面强度和重量轻的潜力，但它们通常在几个方面受到限制。
一个问题涉及锋利边缘。如图108所示，阳极化例如草酸或硫酸阳极化，会导致氧化铝层3110垂直于原始铝表面向外和向内“生长”。这在任何锋利边缘留下较少或非绝缘的区域，称为角间隙3108；角间隙也可称为边缘间隙。结果，阳极化铝导体需要倒圆边缘以防止形成这些未绝缘的区段。使这些边缘变圆是昂贵的，因为它需要额外的机械或化学处理。已知半径为0.015″以便通过硬质阳极化获得良好的边缘覆盖，因此需要最小导体厚度为0.030″。这是一种非常厚的导体，并且由于许多应用中槽的线匝数低，所以需要不可接受的高电流。
当形成扁平、圆锥形等的导体3100时，例如通过激光、模具、刀具、冲孔或精密冲裁工艺使这种边缘变圆，例如通过化学或机械工艺，也将导致导体横截面面积减小。这导致对于给定电流更高的电流密度和更高的热量产生，以及导体层之间的表面积的损失，以将该热量传递到槽的顶部或底部。与使用相同厚度和宽度的尖锐的角形导体相比，这三种效果的组合足以在电机中产生明显更高的温度。
这些原理对于铜或铝(或其他导电材料)导体上的聚合物涂层绝缘体也是如此，但出于不同的原因。聚合物涂层系统的表面张力倾向于将涂层拉离尖锐边缘，因此，如果导线或导体的边缘是圆形的，它将产生更均匀的涂层。
在图109和图110中示出了两个示例性实施方案的示意性定子区段的比较。一个定子包括具有尖锐边缘的导体，另一个定子包括具有圆形边缘的导体。两种定子都在公开的范围内，但是这些原则将适用于所公开范围之外的定子，具有益处的百分比。导体宽为0.100”，厚度为0.020”。图109中的定子包括热导率为390W/(m*K)的铜导体3130、倒圆边缘和热导率为0.17W/(m*K)的聚合物涂层3134，而图110中所示实施方案包括热导率为220W/(m*K)的铝导体3110、尖锐边缘和厚度为0.001”，热导率为0.75W/(m*K)的硬质阳极化涂层。对于相同的厚度和宽度，方形导体具有约5％的横截面积，与相邻层的热传递接触面积高-20％，并且几乎是与柱的潜在热传递接触面积的两倍。由于与电流密度相关的i2损耗，倒圆导体中5％的横截面损失导致允许电流密度降低约10％，而倒圆导体之间热传递表面积减少20％至30％导致给定定子温度下降低高达30％或更高的电流密度，这显著降低了可能的马达性能。由于这些原因，结合能够使用高速过程(诸如精密冲裁)形成铝导体的成本效益，然后在不使边缘圆化的情况下对它们进行阳极化，这种导体方法和构造提供了显著的成本和性能益处。通过FEA分析已表明，所公开的导体配置具有足够的益处，当使用方形/锋利边缘的铝导体与诸如阳极化的高热传递电绝缘体结合时，如与铜相比铝的电阻更高，在一些情况下，与铜导体上的聚合物绝缘涂层相比，铝的横截面积增加和阳极化层的热传导增加可以部分地或多于偏移。
基于FEA热传递分析已经发现，在该示例中，铝导体的较高导电率和热传递表面积的效果足以维持与铜导体示例类似的最大导体温度，即使铝导体具有更高的电阻和产生大约多50％的热量。因此，与具有类似的最大导体温度的聚合物涂覆的铜导体相比，阳极化铝导体具有有益效果。铝导体需要更多的功率，但它们是铜导体重量的1/3，因此通过减小致动器质量和增加KR，这种增加的功率在一定程度上抵消。对于许多工艺而言，阳极化铝导体的挑战是要获得良好的边缘覆盖，边缘半径需要为0.010”或更小。这要求导体厚于0.020″并且优选地至少0.030″。对于许多马达应用而言这不是优选的，其中较薄的导体将通过允许更多线匝数来减少所需的电流。这导致这样的情况，即0.020”或更小的导体将受益于保护锋利边缘的表面修整涂层系统。
在一个实施方案中，电机可以利用低成本的制造过程，其留下锋利边缘以提供增加的横截面积，同时提供保护未阳极化的锋利边缘的方法。在一个实施方案中，边缘保护系统还用于提供将导体固定在槽中的方法。该实施方案还使用锋利边缘绝缘方法将导体固定在槽中，并提供暴露于冷却流体的高百分比的导体表面区域。
将锋利边缘的铝导体绝缘的过程的非限制性示例如下。铝导体3100可以从指定图案的铝片冲孔或冲压或精密冲裁或激光切割等，以便在定子柱之间堆叠。铝导体应通过留下合理方形边缘的方法制造。这防止阳极化表面向外形成锋利边缘，因此表面张力将倾向于保持液体介电材料，或者边缘处增加的静电荷将倾向于吸引介电粉末涂层材料。可以使用许多类型的铝。已知1100系列铝具有高导电率和导热率，这有利于该应用。图111A和图111B示出了组装之前的可堆叠扁平导体的两个相邻层3102。该图中所示的导体设计成以交替顺序堆叠。每个导体层E3102用作电流流动的传导路径。每个导体层包括一对接触片E3106，它们可以连接到电路中以允许电流流过导体。许多不同的扁平和非扁平铝导体配置可以与这里公开的导体绝缘系统的各方面结合使用。
然后可以在接触片3106处掩蔽导体，以减少阳极化之后和将层3102连接在一起之前的准备时间。然后将部件在表面的其余部分上进行硬质阳极化。阳极化工艺可确保顶部、底部和侧面的涂层和保护。由于阳极化层3110垂直于原始铝表面生长，阳极涂层的任何正交表面将在它们之间形成角间隙3108(图108)。
当用聚合物涂覆锋利边缘时，预期表面张力将导致涂层在锋利边缘处变薄。类似地但由于不同的原因，由于涂层的垂直生长，应用于铝的阳极过程将在所有锋利边缘处产生未受保护的区域。但是虽然这两种涂覆方法本身都不充分，但随后是介电聚合物涂层3112的阳极涂层3110的顺序组合产生了有利的条件，其中通过阳极化处理产生的间隙3108导致表面张力效应，将液态聚合物抽吸入阳极涂层3110中的间隙3108。
聚合物涂层3112可以通过浸渍或喷涂导体来施加。可以使用许多不同的聚合物或其他液体涂层，诸如清漆。如果使用环氧树脂涂层，则可将其固化或烘烤至B状态，然后在将所有导体最终组装到定子中之后施加最终固化阶段。在所有涂覆和固化过程中，据信可能通过适当的过程控制来保持有利的条件，使得在阳极涂层的垂直表面之间形成的弯月面将保持足够厚的聚合物涂层用于许多应用。图112示出了涂覆导体的示例，阳极化导体的表面上具有介电涂层。在许多绝缘应用中，不是所有表面上的薄涂层都是必需的，因为阳极涂层在平坦表面上非常有效。对于低粘度聚合物，据信有可能确保聚合物流入边缘间隙，同时在导体的其余部分提供薄层涂层，所述薄层涂层可在最终组装期间使用，以通过加热或其他最终粘附工艺条件将导体固定在定子中。图113显示了通过电介质涂层和涂覆拐角形成凹形弯月面的预期结果。当固化或烘烤导体层时，导体层可以堆叠固化或烘烤在一起以形成统一的结构。
在所公开的处于组装状态的电机的一个实施方案中，在导体3100堆叠在一起成层之后，将掩蔽的突片3106锡焊或焊接在一起，如图114所示，其中导体对堆叠在定子3116的定子柱3114之间。注意，在组装所有层期间或之后，这些区域可以通过点焊、激光焊接或塞焊或通过机械装置连接。最后的步骤可包括，例如烘烤组装的部件，以便熔化和固化电介质涂层以及将导体粘合在一起并粘合到定子。
该涂层系统具有许多有用的特征和有益效果。一个有益效果是可能高速制造导体部件，例如通过精密冲裁，该方法具有低成本和固有的高精度的优点。最少或不需要修整边缘，与铜相比(其必须具有倒圆边缘以实现均匀的涂层)这降低了成本并允许更大的表面积(使用铝)以帮助抵消铝更高的电阻。去毛刺过程可能有所帮助，但需要最少的处理。
所公开的涂层系统允许实际使用铝导体，其具有比铜低的成本和三分之一的重量。涂层系统产生非常硬的阳极涂层，其比聚合物涂层更硬，允许与定子更紧密地配合而不会损坏。硬质阳极涂层通常也具有比聚合物涂层更高的热导率，有时为三倍或四倍。涂层系统允许铝导体比已知的0.020-0.030最小厚度薄得多，以允许所有边缘的半径为0.010”至0.015”。较薄的导体通过提供更高的线匝数来允许更低的电流。在所公开的机器的一些实施方案中，较薄的层还提供更大的每槽表面积用于直接冷却导体。
当与具有相同相的导体层一起使用时，涂层系统特别适用于所公开机器的实施方案。在一个实施方案中，由于区段中的所有层具有相同的相位，因此层之间存在最小的电压电势。这允许更薄的阳极和聚合物边缘涂层。没有来自不同相的导体交织允许分层构造。导体的最小弹性和最小或没有塑性变形允许易碎阳极涂层在组装期间保持完整。
将锋利边缘的铝导体绝缘的方法的另一个非限制性示例涉及粉末涂覆。粉末涂覆通常用于将均匀的聚合物粉末涂层施加到具有相反的粉末静电荷的部件上。然后通过施加能量将粉末作为连续涂层熔合到部件上，通常以加热的形式，诸如通过烘烤导体层。导体层可以堆叠支撑以产生统一的结构。具有锋利边缘的铝导体可以用带相反电荷的粉末喷涂或浸入带相反电荷的介电粉末的流化床中。据信阳极化层提供绝缘体以减少静电荷在粉末与平坦的顶部和底部以及边缘表面之间产生足够的吸引力，而锋利边缘处较少绝缘的间隙预期会导致粉末到导体边缘吸引力的偏压。然后将导体从喷雾或流化床移除，然后半熔合或全熔合到导体并半硬化或全硬化。如果使用环氧介电粉末，则在涂覆边缘之后粉末可以部分固化。导体然后组装入定子(或围绕芯，或进入电机的某些其他方面)。在最终组装之后，边缘涂层然后完全固化并且在该过程中结合到定子和其他导体。
根据工艺条件，预计边缘的粉末涂覆可以提供阳极涂层中边缘间隙的部分或完全或多于完全的覆盖。图115示出了完全覆盖锋利边缘处的间隙的示例性实施方案。图116示出了具有多于完全覆盖的示例性实施方案。另一个示例性实施方案可以包括图115或图116中所示的实施方案，其具有第二聚合物涂层3120，例如热塑性塑料或环氧树脂或清漆，如图117所示，施加到导体层上以提供粘合剂层，从而允许导体在最终组装中粘合在一起。
无论是使用附加的粘附剂3120还是使用边缘粉末涂覆作为粘附剂，实施方案可以与可移除材料的薄层组装，诸如但不限于导体之间的PEEK或UHMW。然后可以例如通过加热使部件固化，然后通过拉出它们来移除间隔层。
图118示出了组装的定子3116和导体3100的截面视图，其中在一个或多个槽中的一个或多个导体层3102之间具有间隔物3118。图119示出了在移除间隔物之前导体和间隔物的截面视图，其中粉末边缘涂层接触导体并将导体粘附到每个和/或柱侧壁上。具有这些最小的粘合点减少了导体到定子的导电散热，但是它允许更大的表面积暴露于诸如空气或液体的冷却流体，或者可用于从导体吸取热量的多相流体。
像PEEK或UHMW的材料将拉伸到第二材料条件，在这种条件下，分子更加对齐，并且塑料保持其强度的高百分比，但是它变得非常薄，以便用作间隔物时允许从导体层之间移除。已发现PEEK在拉伸时非常强并且也非常耐热，以使其能够经受典型的热固化过程，但是PEEK必须与脱模涂层或不粘附于其上的粘合剂一起使用。UHMW强度较低，但具有优异的剥离性能，可以在不使用剥离剂的情况下移除。
在图120中示出了定子3116的简化截面，其中移除了间隔物3118，并且由于拉伸材料而使间隔物的区段变薄。例如，厚度为0.004″的PEEK材料将拉伸至新的塑性变形模式，其厚度仅为0.003″。这为移除间隔物提供了0.001”的间隙。由于沿着间隔物的长度与导体的摩擦或结合以及施加到间隔物外部定位端的张力，发生间隔物的拉伸并因此变薄。当间隔物伸展和变薄时，摩擦或粘合接触表面的前缘沿着被拉紧的外端的相反方向行进，直到足够的间隔物被拉伸/变薄以允许完全移除间隔物。
如果使用足够高温度的粉末涂层而不是聚合物或其他粘合剂，则认为可以使用金属焊料将导体粘附在一起并粘附到定子上。与聚合物相比，这具有非常高的热传递的优点。
所述构造的阳极化导体可用于各种电机，包括但不限于轴向通量机、径向通量机和线性致动器。
具有非平面转子和定子的示例性电机
电机的一些实施方案包括转子，转子包括环形盘，具有穿过盘平面延伸的孔。在一些实施方案中，孔在内边缘和外边缘之间延伸；在其他实施方案中，孔可仅部分地延伸穿过盘。在横截面为圆形的孔，其横截面的平面正交于盘的平面，可为转子提供半圆拱形支撑，从而赋予转子刚性。在转子中使用孔会减少转子中的材料量，从而导致较低的质量。孔可以径向延伸，但不是完全径向延伸；然而，其他布置方式也是可能的，诸如螺旋布置。孔可以与槽平行；所述孔可以与轴向平面上突起部上的槽对齐。孔和槽可以通过开口连接。转子可以由诸如钢或铁的一体材料件制成，并且转子柱可以由一体件形成。柱可以在转子的内边缘和外边缘之间延伸。转子柱可以限定内边缘和外边缘之间的直线，并且可以基本上彼此平行。这种配置可有利于磁体插入。柱可以具有轴向高度的周向厚度反向渐缩(变窄)，以改善磁体保持。在双面转子上，在转子的每一侧可以有柱，并且盘的一侧上的柱可以与盘的相对侧上的相应柱对齐，如投影到垂直于轴的平面上。转子可以用低密度镁或铝环硬化。转子的轴向横截面可以在距离中心不同的径向距离处具有不同的厚度。具体地讲，转子在距转子中心的径向距离处可以具有较小的轴向高度，该径向高度大于内半径并且小于外半径。
上述包括具有孔的转子的实施方案具有许多优点。转子的质量降低，因为其包含较少的材料。与磁体的横截面相比，转子在切线方向上的小横截面与通量路径对齐，导致低通量泄漏和高可能通量密度，并通过使用锥形磁体进一步增加。半圆拱形支撑赋予刚性。没有延伸的薄截面导致剪切载荷，而不是所有应力区域的弯曲载荷。没有可测量长度的薄区段导致弯曲。由于应力相对较低，因此可以使用诸如DurabarTM的低成本材料来获得足够的刚度。转子可构造为仅具有内轴承，这在成本和制造复杂性方面是有利的，并且允许力感测。可以使用集成编码器。在组装转子之后插入磁体的可能性也是有益的，因为永磁体之间的力通常造成在该过程期间存在永磁体的组装困难。锥形界面允许永磁体与转子材料完全接触，允许较低的制造公差，并导致扭矩略微增加。锥形槽可以使用大圆盘切割器而不是小铣刀制造，其具有一定角度的足够的柄以提供轴间隙。
电机的一些实施方案包括在内边缘处表现出一个轴向高度或厚度的转子和在第二边缘处不同于第一轴向高度的第二轴向高度或厚度，以及具有互补形状的定子。例如，第二轴向高度可以大于第一轴向高度。示例性实施方案包括锥形转子和定子。发现锥形转子或定子分别具有比类似的平面转子或定子高得多的刚度。高刚度允许保持非常一致且小的气隙。
图123示出了锥形转子3200的示例性实施方案的横截面，其在转子内侧和外侧用低密度镁或铝环3212、3214硬化；转子可以由钢或铁制成。锥形转子可以是任何非平面的旋转表面，例如具有双曲线或抛物线形状。转子具有轴，并且可具有周向间隔开的承载柱，所述承载柱从环形盘的每侧轴向延伸。在这种锥形设备中，转子具有可变的轴向厚度，并且在靠近轴线的内部，在轴向方向上比在外部更薄，尽管这种差异可以反转，使得转子在外部的轴向上更薄。
图124给出了图123中的实施方案的特写横截面视图，其中移除了镁或铝环。即使没有镁环，转子也非常硬，即使最大横截面仅为0.015″厚。定子槽可以是锥形的。轴向横截面的双曲线形状虽然不是必需的，但允许构造具有较低质量的转子，并且非常适合于高速机加工。通过转子的护铁3220钻出锥形或圆形孔3222，并且可以用圆盘切割器切割槽3224。两个操作都非常快速。此类构造可以使质量最小化，同时为所有薄区段提供半圆拱形支撑，并实现强度和刚度的平衡。重要的是，没有扩展的薄区段。因此，虽然存在许多通量瓶颈，但没有要弯曲的可测量长度薄区段。因此，所有应力区域都经受剪切应力而不是弯曲应力。柱3226之间的横截面积最小，但刚度高。
20％转子的计算分析输出；用500N力的一半，显示偏转小于0.0005″，并且最大应力仅为2000psi。
图123至图127中所示转子的示例性实施方案具有许多优点。圆锥形和半圆拱形具有相当大的刚性，这对于维持必要的最小气隙非常重要。该实施方案由于与磁体横截面(在与通量路径对齐的切线方向)相比非常小的横截面而表现出最小的通量泄漏，并且由于最小的泄漏路径和锥形磁体而具有最高的可能通量密度。所述构造重量轻，并且可以单独用内轴承制造。这提供了成本效益并允许力感测。可以使用集成编码器。
锥形界面允许永磁体与转子材料完全接触，从而允许较低的制造公差。此外，该构造允许在组装转子之后插入永磁体。由于在磁体之间存在巨大的力，永磁体就位时组装非常困难，因此组装后插入具有相当大的安全性和成本效益。机械磁保持对于涉及附近磁体之间的强磁排斥的配置尤其重要。最小泄漏路径和锥形磁体提供高通量密度。由于应力低，低成本材料是可能的。
由于小特征的数量多，机加工可能非常耗时，但锥形槽允许：使用大圆盘切割器而不是小铣刀，在一定角度具有足够大的刀柄以提供轴间隙；PM的机械保持；以及约高5％的扭矩。几何形状提供了使用DurabarTM等低成本材料实现大部分有益效果的能力。
具有散热片的具体实施方案
所公开范围的设备几何形状将在定子和转子之间的一系列气隙上提供扭矩重量比和KR的有益效果，诸如例如从低至0.001”或更低，以及达到0.010”或更高。所公开范围内的高极密度导致异常短的磁场，与所公开范围之外的给定直径的马达相比，该磁场倾向于受益于较小的气隙。分析和实验已经表明，通过实施此处示出的原理，对于175mm平均气隙直径致动器的气隙为0.005”是有益的并且可以通过合理的制造公差实现。
图128是包括电源和编码器连接器的组装好的致动器的实施方案的轴向视图。如图128所示，致动器3000包括具有片3004和转子3006的定子3002。转子为图132中所示的组件。电源连接器3008和编码器连接器3010从致动器的一侧延伸。定子3002包括用于冷却、结构刚度和通量路径提供的片3004。如图129所示，转子3006沿着两个定子3002之间的中心平面布置，其中每一个都具有翅片。在图129中，转子具有从磁体径向向内定位的输出环。定子3002固定到壳体3014。轴承3016将转子3006可旋转地连接到壳体3014，分离致动器壳体3014的内部部分3018，并且分离器环3022将壳体的外部部分3020分开。所示的轴承是在转子和定子之间使用近似恒定的磁力预加载的角接触轴承，其将致动器保持在一起。转子3006包括永磁体(PM)载体3024和由PM载体3024承载的PM 3012。转子还包括内环3026，其固定到PM载体3024并通过轴承3016连接到内部壳体环3026。内环3026包括输出环3028，由致动器旋转的元件可以连接到输出环3028。输出环使得这种元件相对于连接到固定环3050的另一元件旋转。轴承3016安装在两个座圈之间，在该实施方案中，内径座圈3052连接到壳体3014的内部部分3018，并且外径座圈3054连接到转子3006。PM载体3024由诸如铁合金或钢合金的软磁性材料制成，并且由槽中的永磁体阵列(图132中所示的槽)磁化。定子由软磁性材料制成，诸如铁合金或钢合金。具有高通量饱和密度的软磁性材料通常非常致密。为了降低致动器的重量，电机的一个实施方案使用低密度材料用于内外部壳体环和分离器环。可以使用的材料包括铝合金、镁合金或复合材料，诸如碳纤维复合材料。
在轴在壳体内旋转的情况下，常规轴承布置将具有由轴承的ID和支撑轴承OD的壳体(外部静态结构)所支撑的转子(旋转轴)。轴承预加载将通过机械装置提供，例如螺纹螺母或作用在轴承的ID或OD上的螺栓夹紧环，并且通常以试图使轴承靠近在一起的方式提供。如果将常规的轴承布置应用于优选的实施方案，则因此将转子附接到轴，该轴连接到轴承的ID，并且由壳体承载的轴向磁力将作用于移动轴承的OD，使其靠得更近。在轴承外座圈被轴向推在一起的情况下，轴承内座圈将通过向外作用的轴向力抵抗所施加的载荷；通过轴承产生的作用线的取向称为“面对面”构型。当一对轴承之间具有短距离时，例如小于轴承直径(如图128至图135以及图138至图140的实施方案的情况)，轴承预加载的作用线的“面对面”取向导致轴组件具有比“背对背”布置低得多的力矩承载能力。通过将转子的轴安装在轴承OD上并对轴承ID处的壳体的向内作用力(在不太明显的布置中)进行反应，实现了作用轴承配置的背对背线，其与充分轴向柔性的壳体结合，使转子和定子的磁吸引力能够以在轴承平行作用线之间产生较大间距的方式对轴承施加预载荷，从而使给定轴向间距距离的轴稳定性最大化。
图130是图128的致动器的定子3002和壳体3014组件的等轴截面视图，其具有分层导体3030的局部部分。如图130所示，定子在左侧具有根据电机实施方案的柱3032，在定子后表面上具有螺旋通量路径散热片3004。定子可以由一体式的各向同性材料制成，诸如铁合金或钢合金。螺旋散热片3004可以至少部分地由相同件的各向同性材料制成，并且主要在取向上是圆周的，以便除了增加用于冷却的表面积之外还提供周向刚度和磁链功能。
图131是定子3002、内部壳体3018、外部壳体3020和致动器或图128的示例性分层导体3030的轴向视图。未示出导体相之间的连接。分层导体3030围绕柱3032布置。
图132是图128的致动器的集中通量转子柱阵列3024和转子支撑环3026的等轴视图，其中转子柱阵列3024固定到转子支撑环3026。转子柱阵列3024包括护铁3034，该护铁限定穿过护铁的径向孔3036。
此处示出的轴向通量实施方案非常适合于实现非常小的气隙，因为与定子磁性地相互作用的转子不承载致动器的输出负载。相反，轴承3016位于输出环3028和PM载体3024之间，因此输出负载的变化对PM载体相对于定子的轴向位置的影响最小。该实施方案中的定子通过致动器OD上的轴向间隔环以精确的轴向间距保持，该轴向间隔环防止定子相对于彼此轴向移动。该结构使得该设备能够实现并保持每个边界中最小平均气隙直径致动器的气隙为0.005”。本发明人相信，对于大于或等于每个边界中最小马达的马达，将能够实现0.005”气隙。考虑到应用和给定的制造公差以及结构遇到的载荷，最好确定特定马达所需的气隙。
现在参见图133，该实施方案具有带平行侧PM 3038的集中通量转子。已经表明锥形磁体能够提供更高的扭矩，但是使用平行侧面磁体的简单性和低成本使其成为许多应用的优选实施方案。预磁化的PM可以单独插入槽中，或者可以在非固态下注入、倾倒或以其他方式插入磁性材料。然后可以通过向转子极施加非常高的通量密度来磁化PM材料。
两个PM阵列之间的转子的护铁优选地配置成将PM磁性地保持在槽中。这简化了装配过程，并且无需在转子上实现机械PM保持特征结构。转子可以配置成在一个轴向侧上的PM与在另一侧上具有相同切向极性的PM对齐。作为另外一种选择，转子任一侧的PM可以具有相反的切向极性。在该示例性实施方案中，轴向对齐的PM具有相反的极性，以向转子中心平面提供磁保持力。为了防止比正PM保持所需焊剂更多的焊剂通过护铁连接，在护铁中和柱之间提供径向孔3036；以通过护铁在转子柱之间产生通量路径限制，同时仍保持刚性柱和护铁结构。朝向转子柱内侧的轴向孔阵列(未示出)提供了另一种通量泄漏限制，同时保持了刚性柱和端铁结构。
一组角接触轴承3016用于将转子支撑在壳体中，其中壳体固定到内座圈并且转子固定到外座圈。对于诸如NdFeB 52的高强度磁体，对于具有0.005”间隙的175mm平均气隙致动器，定子和转子之间的总吸引力可超过400Kg。该力始终存在，并且在动力操作期间总力的改变将不会超过10％，这是由于电磁定子极的交替极性导致的转子柱同时吸引和排斥。必须支持这种巨大的吸引力来创建和维持所需的气隙。在所公开范围内马达优选的小气隙需要具有比所公开范围之外的马达更刚性的结构。同时，所公开范围内的马达可能具有较薄的护铁并且较薄护铁是获得设备的全部扭矩重量比有益效果所必需的，其需要使用轴向更薄的定子实现更刚性的结构，即使这些是两个固有的竞争特性。为了获得所需刚度，该设备的实施方案使用中心转子，其具有在两个轴向侧上拉动的相等磁力，以及在转子两侧上的一组定子，这些定子在其OD处通过分离环3022刚性连接。OD上的分离环防止定子的外部区域3020关闭气隙，而角接触轴承3016防止定子的内部区域关闭气隙。
除了这种结构的刚性，该实施方案通过允许壳体的定子和/或端板具有足够的柔性以在轴承上提供一致的预载荷，使得转子对定子吸引的轴向力在轴承上提供足够的预载荷以消除轴承间隙并保持轴承预加载到悬臂载荷的预定设计极限。
在一些情况下，轴承的磁力足以承受最大的悬臂载荷。在其他情况下，轴承可能需要比转子提供的更高的预载荷。在其他情况下，由转子产生的力可能大于轴承所需或所希望的力。如果转子力非常适合于在轴承上提供预载荷，则壳体优选地构造成使得组装的转子和壳体减去转子中的PM，导致壳体接触但不预加载轴承。然后，壳体优选地构造成允许壳体在轴向方向上足够的弹性挠曲，使得轴承预加载。
如果该预载荷不足以承受悬臂载荷的最大设计要求，则壳体可构造成在轴承上提供初始机械预载荷，随后通过磁力在组装时增加该预载荷。
如果磁力将提供比给定轴承所需或所希望更多的预载荷，则壳体可以设计成在没有PM安装在转子中的情况下组装，使得壳体必须弹性挠曲以在轴承上施加轴向载荷。在这种情况下，磁转子力的一部分将在挠曲的壳体和轴承之间产生接触，并且剩余磁力将提供轴承所需的预载荷。
希望提供一种重量非常轻且刚性足以在这些巨大的力下提供一致气隙的结构。通过使用磁力预加载轴承，减少或消除了对紧固件的需求。这简化了制造和组装并降低了致动器的复杂性和重量。翅片3004允许由铁或钢或钢合金制成的定子材料的体积由包括低密度材料的部件支撑，低密度材料如镁、铝或复合材料。定子和壳体材料可以用螺栓或粘合剂固定在一起，但是优选地通过壳体和定子中的对准特征定位，并且至少部分地通过转子的磁力保持在彼此的相对位置。壳体将包括位于定子和密度低于定子(例如，内部壳体3018)的轴承之间的构件，并且其包括防止定子沿转子方向移动从而闭合气隙的结构。在一个实施方案中，该壳体构件不具有防止定子构件远离转子移动的特征，因为这会增加重量和成本并且可能使组装过程复杂化。
如果在操作期间磁力不足以在轴承上提供足够的预载荷，则定子构件OD上的壳体构件设有在定子上对准并防止定子构件在轴向远离转子移动的特征(未示出)。该构件可以固定到类似的构件，诸如沿着致动器中心线，其在转子相对侧上朝向转子拉动。这两个壳体构件可以用螺栓或螺纹或用粘合剂或压配合或卡扣接合固定在一起。定子和/或转子优选地构造有气隙表面形状，诸如锥形表面形状，其允许外部壳体构件在壳体构件固定在一起之前将定子的OD拉向转子，并且这导致沿着气隙径向距离的一致气隙，或沿定子和转子之间气隙的径向距离的锥形气隙，以允许朝向致动器轴线的较小气隙。朝向轴线的较小气隙允许定子和转子的内部部分比转子和定子的外部部分在轴向更靠近，当转子和/或定子上的力将作用于闭合气隙时，内部部分没有比外部部分更快地接触。该锥形不允许定子或转子的外部部分的更多移动，但是它们确实允许内部部分具有较小的气隙，而不用担心这些较小气隙区域的过早接触。
为了提供足够刚性以保持一致气隙但又足够柔韧以允许转子PM提供所需轴承预载荷的壳体结构，构造OD连接环3022以允许在该示例性实施方案中两个定子之间一定程度的轴向移动或柔性可能是有益的。这可以通过波纹管或其他一定程度的盘状或稍微的圆锥形或其他类似形状来完成，该形状防止两个定子的相对旋转，同时允许定子之间所需的相对轴向移动幅度。该柔性构件或组件可以轴向地位于定子之间，或者与定子对齐。需要非常小的轴向运动，并且优选地足以允许在整个制造公差范围内由于气隙中的磁吸引力以及定子之间由于致动器中热膨胀而产生的相对轴向距离变化而将所需的预载荷施加到轴承上。
在图128的示例性实施方案中，使用FEMM软件计算磁体的力。当轴承不在组件中时，该吸引力导致0.010”的轴向挠曲。发明人认为这是足够的灵活性，在合理的制造公差范围内实现轴承一致预加载和由于热膨胀引起的尺寸变化，而对于这种尺寸的设备并使用合理加工公差，两者都可以预期为小于每个轴承接口的最大值0.002”。
如果向内拉动定子的磁力大于轴承上预加载所需的磁力，则定子构件OD上的壳体构件具有在定子上对准并防止定子构件在轴向朝向转子移动的特征。该构件诸如分离器环3022可以固定到类似构件，诸如沿致动器的中心线，其也将相对的定子推离转子的相对侧上的转子。这两个壳体构件可以用螺栓或螺纹或用粘合剂或压配合或卡扣接合固定在一起，或者它们可以摩擦配合或简单地彼此压靠或者分离环。如图134所示，它们也可以是单个组件；它们也可以是定子的延伸。定子和/或转子优选地构造有气隙表面形状，诸如锥形表面形状，所述形状允许外部壳体构件在内部壳体构件固定在一起之前在定子的OD上向外推动远离转子，使得组装后在转子和定子之间产生所需气隙，其中转子中的PM将定子拉向转子。
上述构造的元件可以应用于单个转子和单个定子，或者中央双侧定子的任一轴向端上的两个外转子。上述构造的元件也可以应用于外部输出环构造，其中轴向外部构件在定子的ID内刚性地固定在一起。
图128至图135和图138至图140中示例性实施方案的散热有益效果是根据电机的实施方案的原理。槽密度和导体体积在该设备尺寸的边界内，其中从导体到定子后表面的热传导足够有效，以允许对于施加到定子后表面的给定冷却速率具有异常高的电流密度。定子后表面的冷却可以通过多种方法完成，包括辐射、导电和对流。散热片3004增加了定子后表面以及周围壳体的表面积。如果散热片与定子是单件式并且沿着非径向线或曲线成角度，则散热片可以用作通量路径3040，如图135中的系列箭头所示。
希望将护铁通量承载能力相对于护铁重量最大化。通过将冷却/翅片与柱成角度，使得翅片与两个或更多个柱轴向对齐，并且通过构造软磁性材料的翅片，诸如如果它们与柱和/或护铁成一体，则翅片可用于三个单独的功能。具体地讲，翅片能够以这种方式用于
A).径向和周向强度和刚度
B).增加冷却表面积，和
C).作为集成通量路径的构件。使用冷却和/或刚性翅片增强通量路径以高效地使用高密度定子护铁材料以实现低总重量。
图136示出了定子后表面上冷却/结构翅片的简化截面，其优选地与定子成一体并且在与定子柱成小于45度的角度径向对齐超过50％(即它们离径向对准小于45度)。这允许它们执行在柱之间提供磁链连接路径3040的附加功能，如箭头所示。阴影线横截面积3042指示较大的距离，其中由于该实施方案中翅片接近轴向对准以及由于在柱之间对角地延伸的流体连接路径3040，因此通量通过柱之间的翅片。
在一些配置中，诸如图128至图135和图138至图140的实施方案，定子支撑在ID和OD上，而柱提供定子本身足够的径向刚度。在这种情况下，电机的实施方案使用一系列同心的翅片和凹槽，与50％厚的没有翅片的护铁相比，所述翅片和凹槽可以提供类似的横截面积，用于从柱到柱的通过护铁的磁链，但翅片和凹槽提供三个附加有益效果。第一个是在定子后表面上显著增加冷却表面积的可能性。第二是增加圆周方向的刚度。这对定子和转子柱的数量之间存在小的差异(导致在90度角度上具有40-50％的力变化)并且结果其中护铁否则将足够薄以允许与希望的相比更高的周向挠曲是有益的。通过将一系列同心散热片集成到实心定子材料中，可以在不增加定子重量的情况下增加周向刚度。这种构造的第三个有益效果是护铁中的伪层压效应，其中多个薄区段将减少柱之间定子护铁中的涡流产生。由于较长的通量路径，护铁磁阻可能略有增加，但预计涡流减小的有益效果部分或完全抵消了这种损害。
在图137所示的简化示例性截面中，最大护铁厚度(即包括翅片的全高度)大约是假设的非翅片护铁的两倍，其中柱厚度为50％。然而，它具有大致相同的横截面积，因此预期具有类似的磁阻。通过这种方式，可用于热提取的表面积可以比非翅片表面区域多许多倍，以实现更有效的冷却，但不会损害重量或磁属性，同时提供额外增加的圆周刚度有益效果。在图137所示的实施方案中，冷却片3454在不与柱3458对齐的方向上集成到定子3450中。翅片可以是锥形的。一个或多个冷却槽3456可以足够深以在定子柱槽3452的根部中形成开口。包括翅片的护铁可以具有大于柱宽50％的高度。定子槽中的开口允许导体由冷却流体或通过传导由直接散热构件(未示出)冷却。空气或冷却流体可以穿过导体周围的开口并通过冷却槽和柱槽的交叉点进入或离开致动器。由于导体和定子加热，冷却流体的运动可以通过强制对流或通过自然对流进行。在一个实施方案中，定子由软磁性材料制成，诸如但不限于钢或钢合金或者铁或铁合金，并且用非磁性材料(诸如铝或镁合金)沿熔合线或逐渐过渡(诸如通过爆炸焊接)或增材制造(诸如3D打印和烧结)熔合在一起。然后将散热片切入定子的后表面。这提供了增加的表面积，同时熔合的材料形成熔合的翅片尖端3460，其可以具有比定子3450的其余部分更低的密度和更高的导热率。紧固突起3462设置在定子3450的垂直于定子柱的边缘处，用于固定到壳体(未示出)。
所公开的边界内的马达的特征在于异常低的导体体积和异常高的槽密度，这导致从导体到定子后表面的低热流阻力。
除了在所公开范围内的固有散热有益效果之外，还可以通过应用此处描述的一个或多个特征增加从定子后表面的热提取。应该注意的是，许多以下冷却系统特征可以应用于该系列中的任何马达，包括所公开范围之外的马达。然而，在所公开范围内应用具有几何形状的这些冷却系统配置中的一者或多者将在连续转矩密度方面产生更高的性能，因为从导体到定子后表面的热流阻力是所有这些马达中的限制因素，并且所公开范围内的马达的一个固有有益效果是从导体到定子后表面的低热流阻力。
如果给定的冷却速率施加到定子后部，则它将能够基于表面积、冷却速率和定子与冷却流体之间的温差从设备中提取一定瓦数的热量。具体地，如果其他所有变量保持恒定，则冷却流体接触的表面积与提取的热量瓦数之间存在比例关系。因此，忽略加热结构内温度梯度的任何变化，表面积的任何增加将导致从结构消散的热量的瓦数大致成比例地增加。如果通过添加翅片将表面积增加10倍，则可以合理地预期在相同的冷却速率下将提取显著更多的热量。相反地，对于要消散与非翅片表面相同的量的热而其他所有变量保持不变的翅片表面，将只需要一小部分冷却速率。
图128到图135以及图138到图140的实施方案的冷却(具有集成到定子中的翅片)优选地用由实心软磁性材料制成的实心定子来实现，诸如但不限于钢或铁或钢合金如钴合金，或镍合金或烧结软磁粉末材料，诸如但不限于铁氧体粉末或钴铁粉末材料或可能存在或尚未存在的其他软磁性材料。也可以使用层压电工钢，但是由于在层之间使用的粘合剂的机械限制与实现高扭矩密度所必需的薄区段相结合，因此实现强且刚性的结构更具挑战性。在升高的温度下尤其如此，其中粘合剂往往会失去部分强度。由于转子和定子之间的磁力，定子的恒定负载使得这些粘合剂的蠕变变形成为必须避免的重要问题。由100％层压材料制成的定子将在层之间的粘合剂上具有高应力集中，因此，发明人认为其在结构上比如此处所示的实心金属或烧结金属定子更合理。
使用转子和定子之间的磁性吸引在轴承上提供恒定的预载荷，并且减少或消除对紧固件或粘合剂将致动器保持在一起的需要。在一些应用中，磁力可大于在任何时候预加载轴承所需的力。在其他应用中，转子和定子之间的磁力可能不足以在任何时候预加载轴承。图138示出了图128的实施方案的构造，其中在内部壳体轴向面接触和预加载轴承的内座圈之前，分离器环的轴向面将接触外部壳体轴向所面对的表面。即在组装之前，轴承-壳体间隙3044大于分离器环-壳体间隙3046。该结构将通过壳体和定子的弹性变形减轻由转子和定子之间的磁性吸引所导致的一些预载荷。
在图139中，在分离器环和外部壳体的轴向表面接触之前，内部壳体轴向面对的表面接触轴承内座圈的轴向表面。即在组装之前，轴承-壳体间隙3044小于分离器环-壳体间隙3046。这种配置可以增加轴承上的预载荷，超过转子和定子之间的磁力所提供的预载荷。然而，这种配置将需要外部壳体3020和分离器环3022的机械或粘合紧固。
图140中所示的是在定子3002后表面上具有密封流体通道3048的实施方案的横截面视图，诸如可用于诸如气体或液体冷却的流体冷却。
参见图140A，示出了一个实施方案，示出了机器3470的壳体3472中的流体通道中的流体流动。冷却流体通过冷却流体输入3476进入外半圆形通道3474。箭头示出冷却流体流3492。流体通道3490允许流体流从外半圆形通道3474移动到内半圆形通道3478。然后流体流通过冷却流体输出3480离开内半圆形通道3478。
参见图140B和图140C，示出了致动器3770的一个实施方案，在致动器内径周围的两个半壳3472之间具有刚性连接3488。壳体3472的外径包括附接特征3486。在操作中，由定子3482和转子3484产生的吸引磁力在轴向方向上将两个半壳压在一起。刚性连接3488在内径处保持结构的刚性。在不存在进一步支撑结构或其他接触点(诸如轴承)的情况下，转子和定子之间的气隙可以通过这些吸引磁力闭合。
具有结构和装配特征的集中通量转子
对齐的永磁体转子
已知的永磁体转子配置使用在通量路径方向上极化的磁体。这种类型的转子通过在相邻的相反极性磁体之间提供磁链路径而使用软磁护铁。软磁性材料是易于磁化和去磁的材料。护铁中的磁链路径降低了气隙中的通量密度，并且还导致永磁体和护铁之间的磁性吸引，以减少或消除对在操作期间将磁体保持在适当位置的粘合剂或机械夹具的需要。
电机的一个实施方案可以与其所有各种配置中对准的永磁体转子一起使用。
集中通量转子
集中通量转子使用交替极性的切向极化磁体，并且本领域技术人员已知的其有可能在气隙处的转子柱中获得比在对准的PM配置中使用相同磁体时可能得到的通量密度更高的通量密度。
集中转子由一系列切向极化的交替极性磁体组成，这些磁体由相等编号的软磁性材料通量集中转子柱的阵列分隔。转子优选地由一件各向同性或均质的钢或铁合金制成，并且构造成使得相邻柱之间存在材料的刚性连接，其中刚性连接优选地由相同的各向同性或均质材料制成，诸如铸造部件或由相同的各向同性坯料加工的部件，这样在柱和连接材料之间需要很少的粘合剂或不需要粘合剂。如果材料在所有方向上具有相同的结构特性，则该材料是各向同性的。如果材料整个具有均匀的组成，则该材料是均质的。如果转子是双面的(诸如带中心转子轴向马达，转子的轴向两端都有定子)，则在转子的一个轴向侧上的柱和在转子的另一个轴向侧上的柱之间也可以存在刚性连接，优选地，刚性连接由相同的各向同性或均质材料制成，诸如铸造部件或由相同的各向同性或均质坯料机加工而成的部件。通过该刚性连接产生的从柱到柱的通量泄漏路径的损失可以通过公开的极间距和柱高范围内的电机来降低。
在提供足够刚性的各向同性结构的同时，使用电机的实施方案保持扭矩的关键之一是使用永磁体磁强度和永磁体深度的组合，其比使转子柱尖端饱和所需的深度更深。永磁体深度定义为处于轴向通量配置时永磁体的轴向长度，以及处于径向通量配置时永磁体的径向长度。永磁体宽度定义为径向和轴向通量配置的永磁体的切向长度。永磁体长度定义为径向通量配置中磁体的轴向长度，以及轴向通量配置中磁体的径向长度。一旦转子柱的尖端饱和，任何额外的PM深度将在扭矩方面提供减少的有益效果。电机的实施方案使用比在气隙处使转子柱尖端饱和所需的深度更深的磁体深度，使得通过护铁泄漏的额外通量对扭矩的影响最小。除了增加的磁体深度之外，电机的实施方案可以在通量泄漏路径中使用一个或多个通量路径限制以减少通过护铁的磁链。
除了由PM和饱和柱的排斥力产生的内应力之外，由高强度PM(诸如N52磁体)产生的轴向力与该结构相结合，对于175mm的平均气隙致动器实施方案的目前设备可以超过400kg。保持元件可以是不同的护铁、侧铁或端铁，提供额外的结构刚度，可以允许使用更小的气隙。
由于集中的通量配置，所公开的电机的实施方案在转子柱的气隙端提供非常高的通量密度。此外，电机的一些实施方案提供永磁体通过其自身的焊剂保持在适当位置，以减少或消除依靠粘合剂将磁体固定到转子柱的需要。
电机的实施方案通过使用护铁来利用定子的两个或更多个柱之间的牢固连接。这种护铁具有明显的缺点，即对于一些PM通量产生短路，否则该通量将通过气隙连接以提供扭矩，但是已通过分析和试验表明，此处公开的某些几何考虑允许最小的扭矩损失，即使允许高百分比的永久通量从一个磁体柱通过护铁泄漏到下一个磁体柱。
使用足够的护铁有利于提供结构强度和刚度，以承受通过气隙连接的焊剂产生的巨大的力。当转子柱之间采用实心铁或钢合金连接构造为一体时，分析表明具有所公开的极间距和柱高度的电机的实施方案能够保持一致的气隙，包括向下至0.005”的气隙或者对于175mm平均气隙设备更小的气隙。具有集中通量转子的电机的以下配置在气隙中提供足够百分比的通量，尽管有通过护铁从柱的相反端到相邻柱的相反端的高通量链路。
带护铁的深磁体
参见图141，示出本设备的一个实施方案的转子3300和定子3330。转子包括转子柱3304和护铁3310，形成连续结构。转子柱3304和护铁3310由均质和各向同性材料形成，其中转子柱3304是来自护铁的均质延伸。转子柱3304之间的空间限定转子槽3306。转子槽3306由永磁体3302填充。定子3330包括定子柱3332和导体层3334。
永磁体3302具有磁饱和深度，在该深度，转子柱3304的端部在气隙3308处饱和，并且额外的磁体深度3336将不会显著增加气隙3308中的通量密度。超过这个永磁体深度，已发现使用护铁对气隙处的通量具有减小的和然后最小的影响。在磁体深度与磁体宽度比为1∶1时，护铁对气隙处的通量密度具有显著的有害影响。在2∶1和4∶1的比率下，气隙中的通量密度的损失相继更小。
图141还示出了如上定义的永磁体宽度3338、转子柱深度3340和定子柱深度3342。转子柱深度和定子柱深度定义为当处于轴向通量配置时转子或定子柱在轴向方向上的长度，或当处于径向通量配置时在径向方向上的长度。
为了提供足够的结构强度和刚度，实施方案采用的磁体深度比最大气隙通量密度所需的长。这些过深的磁体需要比没有护铁时所需的更长的转子柱，这导致在轴向配置时轴向更长的转子结构，具有增加转子的强度和刚度的效果。此外，实施方案包括软磁护铁，其优选地与柱构件为一体。与额外轴向柱长相结合，护铁特征提供了单件式转子柱阵列构造，具有非常高的强度和刚度。
除了增加转子柱的长度，这增加了转子的强度和刚度，过深磁体的第二个有益效果是气隙处高度饱和的转子柱。结果并且与小气隙相结合，可以使用实现结构刚性和强度的厚护铁，而不会显著降低气隙处的通量密度。
该设备的实施方案提供了PM和转子柱的附加深度，有助于必要的刚性。同时，这些PM的附加深度使得转子柱之间的刚性连接能够在转子柱之间具有优选为单件式的软磁护铁，而不会显著影响气隙处的通量密度。
本领域技术人员预期护铁特征对集中通量转子造成损害的原因之一是期望来自磁体的高百分比通量将通过护铁的低磁阻通量路径从柱到柱连接，而不是连接在气隙的高磁阻通量路径上。然而，护铁的效果之一是提供足够高的强度、刚性和抗蠕变性，即使在这种构造产生非常高的磁力的情况下也可以实现非常小的气隙。通过使气隙减小至0.005”或更低，气隙的磁阻可能异常低，使得通过护铁的磁链路径的损害性低于具有更大气隙时预期的损害性。
对于需要最大通量密度的应用，以及集中通量转子需要使用包括护铁部件的单件式构造提供的高强度和刚性的情况，增加PM和转子柱的深度会增加气隙中的通量密度至等于或超过具有较短永磁体和无护铁时气隙的通量密度。
通过这种方式，本设备的该实施方案通过使用统一的软磁性材料柱阵列和护铁提供高强度、高机械刚性的集中通量转子，并且通过使用增加的磁体深度和柱高来最小化气隙通量密度的降低。
使用护铁结构的磁铁保持
参见图142至图143，该设备的实施方案使用一系列几何特征和参数，其提供通过护铁的磁链路径，用以提供包括在高电流和无电流条件下保持永磁体的磁力。穿过护铁的磁通量产生磁力，该磁力将磁体吸引到槽中，因此有助于保持磁体。为确保永磁体始终磁性地保持在槽底部，该设备的一些实施方案的几何形状使得通过转子柱和护铁连接的总磁通量高于在气隙连接的通量。在各种其他影响条件下，还优选的是，当定子以最大电流供电时，通过转子柱和护铁连接的总磁通量高于在气隙上连接的通量。
有多种方法可以使磁链通过转子而不是气隙偏置。此处示出了一些非限制性示例。使用其他方法将PM磁性地保持在槽中是可能的。通过转子护铁提供比通过气隙更大的磁链的任何构造都有可能在磁体上提供磁保持效应。可能优选使用粘合剂将磁体固定在槽中，但是在这种情况下，粘合剂的目的不是防止磁体分离，而是防止磁体在操作期间振动。
锥形槽
还可能使用机械力和磁力的组合来提供力以将磁性件保持在转子槽中。锥形磁体可提供一种结构，其中在将磁体保持在转子槽中时相当大百分比的通量通过气隙。
切向呈锥形使得它们朝向气隙变薄的磁体可在集中通量转子配置中提供高性能。参见图144，示出了处于轴向通量配置的转子3300，其中磁体3302具有锥形端部3316，并且转子柱3304具有锥形端部3318。磁体和转子柱在相反方向上呈锥形以形成联锁布置。永磁体在定子3330的方向上呈锥形，而转子柱3304背离定子呈锥形。在该实施方案中，两个基本上镜像的转子3300可组装在一对定子之间，其中每个转子的锥形柱背靠背地接触，并且每个转子的锥形磁体背靠背地接触。以这种方式使磁体3302呈锥形允许在气隙3308处具有更大的转子柱宽度。这还允许在磁体锥形的宽端处具有更大的磁体宽度3338，以向转子柱3304提供远离气隙3308的更多通量，其中如果侧面平行，柱3304将倾向于不那么饱和。这样，有源永磁体3302和软磁材料被更有效地用于在气隙3308处提供更多的通量。两个转子零件可以例如通过粘合剂固定在一起，但是在一些优选的变型中，可以使用机械特征，诸如螺栓(未示出)或固定环(未示出)。
锥形柱3304和磁体3302的联锁布置防止永磁体移出，这减少了磁力将磁体保持在转子中的需要，因此减少了磁通量通过端铁3314泄漏的需要。
在一些实施方案中，通量路径限制3328的阵列可以形成在端铁3312中，例如，形成为在每个转子3304的基部(转子柱在该基部处与端铁3314连接)处的端铁3314中的孔。这些通量路径限制3328。这些通量路径限制3328减小了转子3304和端铁3314之间的可用通量路径。
图144示出了锥形槽转子的轴向通量配置，但是锥形槽转子可以等效地构造成径向通量配置。锥形磁体可朝向或远离相对的载体变窄。
以这种方式使磁体呈锥形的第二个效果是将高百分比的通量从永磁体向气隙偏置。这至少在两个方面是有益的。首先是锥形永磁体将被拉向气隙到它们将关闭永磁体和转子槽壁之间的气隙以实现更低的磁阻磁链和它们将被机械地防止进一步移动并因此被锥形转子柱固定地保持的程度。其次，后表面处较窄的转子柱导致沿着转子的中心平面柱与柱之间的较大距离。这减少了沿着转子中心平面柱与柱之间通过空气泄漏的量。通过将两个基本上镜像的转子半部与锥形柱和锥形磁体背靠背地组装，可迫使来自永磁体的大百分比的通量跨气隙链接。
这样，可以在气隙中实现非常高的磁通密度，同时磁性地且机械地保持磁体。制造锥形转子柱式转子的成本有效方式是使用背靠背的两个对称的转子3300。这种构造不允许使用护铁3310来加强转子，因此使用软磁端铁3314代替。端铁3314具有优选地用于在通过端铁的转子柱之间产生高磁阻通量路径的尽可能薄并且提供机械强度和刚度以保持小且一致的气隙所需的尽可能厚的区段。
为了补偿通过端铁连接从柱到相邻柱的通量损失，一个实施方案在气隙3308处使用比软磁定子柱3332长的永磁体3302。其在图145中示出，其中示出的永磁体3302比转子柱3304长，该转子柱将具有与定子柱3332相同或几乎相同的长度。通过与定子径向长度相比增加永磁体深度3336，永磁体3302将足以使端部铁3314饱和，同时仍在气隙处在转子柱中保持高通量密度。
用于转子的制造方法可包括铸造或成形或粉末金属构造、添加剂制造、机加工等。磁体的制造可通过成形或者加法或减法制造来完成。磁体在插入槽中之后也可以磁化。可能可用现有工艺或未来工艺将粉末状硬磁材料压入转子槽中，然后在压制之后磁化PM材料，或者可以使用环氧树脂或其他聚合物中的PM磁体材料的浆料填充槽，然后在硬化之后进行磁化。可通过一次向两个或更多个柱施加非常高的通量密度来完成对硬磁材料的磁化。
护铁、侧铁和端铁用作保持元件并与转子柱形成刚性连接。一个实施方案的特征可与其他实施方案的特征组合。
示例性集中通量转子配置：
参见图146和图147，示出了采用径向通量配置的集中通量转子的一个实施方案的倾斜截面视图。转子柱3304包括转子浮突3320，其防止磁体3302径向移出转子槽3306。转子柱3304由侧铁3312连接(图146中未示出，但参见图147)。侧铁3312形成磁链路径，允许磁通量穿过侧铁3312并在永磁体3302和侧铁3312之间产生吸引磁力。侧铁3312和转子浮突3320的组合确实地将永磁体3302保持在转子3300中。在该实施方案中，转子柱3304的一部分可具有浮突以帮助将磁体保持在槽的底部(在这种情况下径向向外)和磁体固定。
图148示出了集中通量转子柱3304和侧铁3312与磨机的组合的倾斜截面视图，所述磨机可用于从单块材料(诸如软磁形材料)形成柱和侧铁结构。常规立铣刀3370可用于将宽凹部切入块中，从转子的外圆周开始进行操作。较小直径的立铣刀3372可用于形成凹部，永磁体3302可被插入该凹部中。然后可以使用具有浮突的立铣刀3374来铣削转子柱3304以形成转子浮突3320。较小直径的立铣刀3372和具有浮突的立铣刀3374可以从转子3300的内圆周开始进行操作。一个或多个壁可以留在材料块的轴向端部以形成侧铁3312。
虽然图146至图148示出了径向通量配置，但是该设计的轴向通量配置变型可以用同样的结构和方法制成。
现在参见图149，示出了在图146至图148中所示的实施方案的转子的线性表示的示意性FEMM分析中的槽几何形状。图149显示了转子的两个槽几何形状的通量路径。示意图左侧的四个永磁体3302为矩形。示意图右侧的四个永磁体3302具有锥形端部3316，其增加了将永磁体3302保持在槽中的磁力。这样做的优点可以是减少对将永磁体固定在槽中的其他方法的需要。
图150示出了具有端铁3314的采用径向通量配置的转子3300的实施方案的倾斜截面视图。在该实施方案中，转子柱3304包括转子浮突3320和锥形转子柱端部3318。锥形转子柱端部3318可用于减小转子3300的重量。转子浮突3320可以帮助保持永磁体3302并且在一些变型中可以完全延伸穿过槽以形成护铁3310，其效果是提供额外的刚性并且有助于利用磁力将永磁体3302保持在槽中。
参见图151，示出了具有端铁3314的定子-转子-定子配置。端铁3314和转子柱3304可以由单件等距软金属材料形成，其中单个阵列的永磁体3302配合在转子柱3304之间。端铁3314在转子3304的两端形成。在该实施方案中，可包括通量路径限制3328，如图152所示。
图152示出了具有护铁3310、端铁3314和通量路径限制3328的定子-转子-定子配置的实施方案。在该实施方案中，两个永磁体阵列3302由护铁3310分离。通量路径限制3328形成为永磁体3304的端部处的孔，以减少端铁3314中的通量泄漏。
图153示出了转子-定子-转子配置的实施方案。两个集中通量转子3300接合中心定子3330。转子3300每一者包括端铁3314和通量路径限制3328。在许多应用中，仅端铁或仅护铁便足以为集中通量转子3300提供足够的刚性。
图154示出了转子-定子-转子配置的实施方案。该实施方案与图153所示的实施方案基本相同，在每个转子3310上添加了厚护铁3300。
图155示出了梯形定子-转子-定子配置的一个实施方案。定子3330被示为没有导体层3334。转子3300包括护铁3310和端铁3314，并且在沿圆柱轴向方向的横截面中具有大致梯形形状。转子由两个转子半部组成，并且其与护铁3310和端铁3314的组合为转子提供高机械刚性。图156示出了图155中所示的定子-转子-定子配置的实施方案的变型，其只具有端铁3314而没有护铁3310。
图157示出了梯形转子-定子-转子配置的实施方案。定子3330被示为没有导体层3334。转子3300包括在永磁体3314的内径和外径端部示出的端铁3302。在该实施方案中，转子3300的后表面与低密度壳体部件互锁。图158示出了图157中所示的梯形转子-定子-转子配置的实施方案，其具有护铁3310并且没有端铁3314。
图159示出了线性通量机的转子-定子-转子配置的实施方案。定子3330具有柱3332的阵列，未示出导体3334。转子围绕定子并且由一件或多件材料制成，例如，软磁各向同性材料。用于转子壳体3300的内部结构上的永磁体3302的接收槽用作转子柱3304、转子护铁3310和转子端铁3314。发明人构思了许多用于线性马达的构造。例如，转子3330的侧面部分的材料可与上转子部分和下转子部分不同。图160示出了图159中所示的线性通量机的转子-定子-转子配置的实施方案，其中在转子3300上没有护铁3310。
图161示出了线性通量机的定子-转子-定子配置的实施方案，其中转子3300由两个磁体3302阵列形成，这些磁体由转子柱3304和护铁3310分开。与其他集中通量转子一样，永磁体在线性方向上具有交替极性，并且可以与护铁另一侧上的相对磁体具有相同的极性，或者可以与在护铁另一侧上的相对磁体具有相反的极性。该实施方案中的钢丝圈可以由各向同性的软磁性材料制成。图162示出了线性通量机的定子-转子-定子配置的部分组装好的实施方案，其中转子3300具有端铁3314并且没有护铁3310。在这种布置中，永磁体止动件用于将磁体定位在槽中的精确位置。转子顶部和底部的永磁体可以具有相同的极性或相反的极性，但优选地具有相同的极性，以减少从顶部磁体经过转子柱到底部磁体的磁链。转子柱3304和端铁3314可以由单块各向同性软磁性材料制成。
FEMM分析已经表明，从转子柱的侧面的一部分移除材料可以在永磁体上产生正保持力，并具有减小转子质量的额外益处。
图163和图164示出了各向同性转子柱阵列，其具有间断的护铁3310和在转子柱壁上朝向转子的中心平面的浮突3322。在该实施方案中，永磁体沿周向被极化并且与轴向对准的对应永磁体的极性相反。其效果是以很大的力将永磁体在无源状态下保持在槽的底部，即使来自永磁体的通量线有超过50％跨过气隙链接。为了提供具有间断护铁的实施方案的足够坚固且坚硬的各向同性柱和连接器构件，如这里所示，在转子柱的至少一端上将需要端铁连接器(未示出)。永磁体越长(在图163的Z轴上)，端铁对气隙中的通量和可以产生的扭矩(或在线性马达的情况下，为力)的影响就越小。
横向通量机
为了将所公开的几何形状应用于诸如横向通量马达的马达类型，可能存在其他设计考虑因素，这些因素将影响实现所公开范围内的散热和其他优点的程度。例如对于横向通量马达，柱的宽度(在平行于线圈轴线的方向)与极间距不相关。然而，该宽度影响系统的重量，因为它与定子护铁的必要厚度直接相关。还必须考虑柱的轴向宽度与线圈的轴向宽度的比率。如果减小这些量，则通过轴向排列整个组件可以使总气隙表面积和导体横截面积保持恒定。因此，最佳的扭矩重量比和散热也将取决于阵列间距和柱轴向宽度。
示例性横向马达
横向通量马达有许多已知的变型。此处示出的是根据本设备原理的横向通量马达的非限制性示例性实施方案。此处示出了两相，虽然可以使用具有不同效果的更少或更多相。在第一实施方案中，如图165至图166B所示，通量以一定程度的径向方向从转子连接到定子，但是，横向通量原理的变化可能具有轴向连接的或与设备轴成一定角度的通量，例如如图167至图169所示。
参见图165至图166B，示出了示例性横向通量马达3410。横向通量马达3410可具有壳体3412并且采用两个定子半部3430和转子3420。定子3430包括导体3432和定子柱3434。所示的导体3432包括周向导体线圈，但是可使用导体的不同变型。在所示的两相设计中，每相有一个导体线圈3432，每个导体线圈具有多个线匝。可以使用集中通量转子3420，如图166B所示。集中通量转子3420采用具有切向极化交替极性的永磁体3422。转子还可包括通量限制孔3428和护铁3426。护铁3426和转子柱3424可以由单件的各向同性软磁性材料制得。在该配置中，穿过转子和定子之间气隙的通量流动是在径向方向上。
由于从定子柱的OD到周向导体槽OD的低径向距离，所公开范围的散热有益效果被应用于示例性横向通量机。由于1∶1的定子柱与转子柱磁体比率(横向通量机的典型特征)，转子的高极密度对应于定子中相同的槽密度。
与许多两相横向通量机一样，每个定子上的定子柱具有偏移半个节距的柱。然后，定子按％节距彼此偏移，使得马达可以通过控制到两个线圈中每一个的电流在任一方向上传递恒定扭矩。
由于所公开的几何形状，由于从柱到柱的通量路径的薄区段，发明人相信，与适合于机械的速度的层压形式的相同材料相比，各向同性软磁定子材料将提供增加的扭矩和效率。
参见图167至图169，示出了横向通量机，其具有穿过转子和定子之间气隙的大致轴向磁链路径。在该配置中，集中通量转子3420保持在壳体3412中的两个定子件3430之间。该配置中的磁通量沿轴向流过转子3420和每个定子3430之间的气隙。在该配置中，转子3420包括两个磁体阵列3422，两个阵列由护铁3426分开，并且每个阵列中的磁体设置在转子柱3424之间。如在径向引导的横向通量马达中，护铁3426和转子柱3424可由单件的各向同性软磁性材料制得。
一些实施方案的一般原理
所公开结构中的任何结构都可与具有包括柱和柱间的槽的电磁元件的电机一起使用，其中柱被缠绕以至少在定子或转子中的任一者上产生极，其中极密度在由该专利文献中指定的方程限定的极密度范围内并且柱高度在由该专利文献中指定的方程限定的柱高度范围内。这些方程各自定义有界区域。有界区域取决于电机的尺寸，其中该尺寸由机器的半径限定。这些有界区域一起限定了由极密度、柱高度和机器尺寸限定的空间中的有界表面。对于电机的每个半径，发明人认为有界区域是新的且不明显的。
基于建模研究和FEMM分析，发明人得到以下结论：对于给定直径的马达，至少超过特定的极密度并且对于指定导体体积或柱高度：1)对于给定扭矩或力，具有如所公开的极密度和导体体积或柱高度的电机相比具有更低的极密度和/或更高的导体体积但具有对应有效的散热的在另外方面等效的机器已经增加了产热(并且因此效率更低)；以及2)增加的极密度和更低的导体体积或柱高度相比具有更低的极密度和/或更高的导体体积的在其他方面等效的机器，具有总体增加的扭矩质量比(扭矩密度)。
当若干个电机沿臂诸如机械臂间隔开时，具有增加的扭矩质量比的电机特别有用，因为相对于需要一个电机提升或加速一个或多个其他电机，效率不那么重要。发明人认为具有如所公开的极密度和导体体积或柱高度的电机的改进性能至少部分地由以下项造成：1)具有从最热导体到柱的更短热流路径的更窄的槽以及2)从柱的顶部到散热表面的更短热流动路径。
例如，所公开的每个电机实施方案都被示出为具有在对据信提供KR方面的益处的极密度和柱高度的限定内的极密度和柱高度。
例如，在极密度在0.5及更高的范围内时，并且考虑到通常槽大约与齿一样宽，对于25mm宽的机器，齿宽可处于1mm的量级。可以使用更窄的齿。较薄齿的优点在于固态材料(诸如但不限于钢或铁或磁性金属合金)可以能够在使用时具有最小的涡流，因为齿更接近正常马达叠片的厚度。用于这种尺寸的马达的普通马达叠片可以在0.015”至0.025”的范围内。所提出的极密度和齿几何形状(许多短柱)也有助于避免第一载体(定子)中的涡流。例如，对于具有144个槽的电机，发现涡流损耗仅为200rpm和70A/mm2下的绕组中总电阻损耗的7％。使用实心(非层压)材料提供强度、刚度和可靠性方面的优点。
所公开的机器的实施方案可以使用分数绕组。一些实施方案可以使用分布式绕组；另一个实施方案使用集中式绕组。由于端部线匝中的铜更多并且功率更低(需要更大的马达)，因此分布式绕组更重。它们还需要较厚的护铁，因为通量必须行进穿过至少三个柱，而不是像在分段绕组中那样行进到下一个柱。分布式绕组因为导体更长(由于端部线匝之间必须连接的距离更长)而产生更多热。
具有所提出的极密度的电机的实施方案可具有任何合适数量的柱。最少数量的柱可以是100个柱。大量的柱允许每个柱的绕组较少。在非限制性示例性实施方案中，每个柱上的绕组仅为一层厚(从柱向外沿周向测量)。这减少了气隙和/或封装化合物间隙和/或导线绝缘层的数量，来自导体的热传导穿过气隙和/或封装化合物间隙和/或导线绝缘层以使导体将热以传导方式消散到定子柱。这有益于热容量(用于瞬时高电流事件)和连续运行冷却。当通过与导体直接接触的气体或液体冷却剂直接冷却线圈时，组合有高极密度的少量周向层(例如柱上的单个周向导线层)导致导体非常高的表面积(相对于导体的体积)暴露于冷却流体。这有益于冷却导体，并且是利用所公开的低导体体积的许多示例性方式中的一者。每个柱的单行(或低行数)线圈还降低了制造复杂性，从而允许更低成本的生产。在另一个实施方案中，每个柱的绕组是两层厚的。
对于175mm或更大的平均气隙电机，槽的数量可以是60或更大，或者对于轴向通量电机可以是100或更大，例如在示例性175mm直径实施方案中具有108个槽。另外，对于此类电机，柱的平均径向长度-周向宽度可以高于4∶1，诸如约8∶1，但可以达到10：1和更高。对于示例性108槽实施方案，该比率为约8∶1。利用此类配置，改善了散热。对于非常小的扭矩，较低的纵横比将是大量的材料，因此纵横比有助于实现对高KR和机器人技术有用的扭矩，同时利用散热效果。
在一个实施方案中，电机可以构造成具有分层构造，其允许主要部件由诸如导体材料(诸如但不限于铜或铝)的片材，以及绝缘体材料(诸如但不限于电介质涂层，NomexTM或其他片材绝缘体)或用于铝导体的硬质阳极化表面处理制成。导体层可以用高速和低成本制造过程制造，诸如但不限于激光切割、冲压或精密冲裁。不是将导线卷绕在柱上，而是可以冲压导体电路，然后分层组装。如果绝缘体层与每个导体层交替使用，则在一些配置中，导体层可以在没有绝缘涂层的情况下组装。作为另外一种选择，导体电路层可以在组装之前涂覆绝缘材料以获得额外的绝缘效果，或者消除对单独绝缘层的需要。
非导电(或绝缘导电)材料可以与导电层在同一层上使用，以提供结构完整性和散热器/散热性质。导体层之间槽中的未填充层，或导体层之间槽中的部分填充层(由足够窄以形成槽的径向长度的未填充间隙的导体形成)也可用于为冷却气体或液体提供流动路径，使得层上开口的或部分开口的槽形成导管。冷却流体也可用作空气或液体轴承介质，以防止转子和定子接触。许多不同的材料可用于间隔层，包括但不限于阳极化铝、TorlonTM(偏苯三酸酐和芳族二胺的反应产物)、酚醛树脂或复合材料，例如但不限于金属基质复合材料。
每个导体可以是一层。层可以由一个或多个区段组成。区段可以是例如旋转马达的整个圆周，或旋转马达的两个或更多个角区段。每个区段中的每一层可以是仅用于一个相的导体电路。在具有导线卷绕的普通电机中，导线被螺旋卷绕并且与该相中的其他导线和/或来自其他相的导线重叠。这种类型的3维导线卷绕构型不能用每相单层制造，因为简单的分层组件不允许典型柱卷绕需要的交织或螺旋重叠构造。
可以使用可弯曲的导线来形成多相马达，其中每个相邻槽包括来自不同相的导体或者非相邻槽的相的不同组合。这具有许多优点，包括简化制造以降低成本和提供如下所述的非常有效的冷却能力。
所公开的导体制造方法在构造具有高极密度的设备方面特别有效，因为它们消除了在这些高槽密度下可能需要的高精度的导线卷绕机构。
在一个实施方案中，每相卷绕的单层可以在两个相邻槽中提供导体，然后跳过一个或多个槽(例如，取决于相数量)，使得层存在于两个相邻槽中，接着是在该层上没有来自该相的导体的一个或多个槽。因此，在载体电磁元件包括柱的电机中，在柱之间具有槽的情况下，一个或多个槽在一个或多个槽的水平上没有与相邻槽中的电导体的位置相对应的电导体。
在一些实施方案中，所公开的电机不仅提供用于流体流动的高横截面积，它从槽的向内端到槽的向外端提供始终如一的气流通道图案，这确保了高百分比的导体与冷却流体接触，包括每个导体与每个槽中的冷却流体接触。换句话讲，在一个实施方案中，一次接触的导体层从不超过两层。槽中垂直的顺序可以是例如导体-导体-空间-导体-导体-空间-导体-导体-空间。这意味着所有导体的一侧始终与由缺失导体产生的冷却通道中的流体接触。这种均匀分布的冷却通道阵列有助于实现足够的散热，以补偿由于较短柱导致的导体体积减小而产生的较高热量产生。
冷却通道间隔图案的一些实施方案包括导体的部分但不是所有端匝的重叠以及相的偏移与每个柱端部处的间隙的组合，以在离开导体之间和导体周围的流体流动通道之前允许在每个柱末端处的切向然后径向的气流。利用这些细节，气隙可以始终间隔开，可以避免更少(更大)的通道，可以增加暴露于冷却流体的导体表面区域，并且由于没有柱末端切向导管而没有停滞的流体间隙。试验表明，这种几何形状的变化允许足够有效的冷却，以允许气流足以在电流密度下保持可接受的导体温度，而采用常见冷却策略诸如普通马达壳体的水冷需要液体冷却。
在一个实施方案中，一行中可能有两个槽，其中导体来自相，接着是p减2个槽，没有来自该层上任何相的导体(p是相数)。对于三相将是两个槽，其中导体来自相，接着是没有来自该相或任何其他相的导体的一个槽。对于四相将是一行中的两个槽，其中导体来自相，接着是两个没有导体来自该相或该层上任何其他相的槽，依此类推。没有来自该相或任何其他相的导体意味着存在可以填充灌封化合物和/或填充材料(诸如热提取插入物)的空气空间或空间，或者该空间可用于引导移动诸如气体或液体的冷却流体。
对于三相配置，作为非限制性示例，两个相邻的槽将具有单层，该单层具有来自第一和第二槽中第一相的导体，接着是在该层上将不具有导体的第三槽。该图案重复以提供单层卷绕，以在该层上三个柱中的每个第一柱的两个圆周侧上提供来自单相的导体。在另一层上，第二相电路存在于单层上，并且在第二和第三槽中具有来自该第二相的导体，接着是不具有来自该层上任何相的导体的槽。第三相位于另一个单独的层上，在每第三和第一槽中有导体，但在每第二槽中没有来自任何层的导体。在该三相配置中，每个相电路定义了槽的选择，其中在三个槽的组中，每组三个槽中的两个接收导体。在其他相配置中，可以使用不同的槽选择。然后，每个导体层可以接收单相电激励。
分层构造允许可扩展的构造。分层构造允许用增材制造过程沉积部件，或者与由单个或多个部件预制的各导体和/或绝缘体部件和/或间隔层组装。
这种导体配置可以在每层上用可弯曲的导线导体完成(对于非限制性示例，其仅螺旋地卷绕在每个区段末端的两个柱上以连接到下一层)。或者该导体配置可以由预制导体层组装，使得在构造和组装期间很少或不需要弯曲导体。
周期性槽中跳过导体可以用作冷却通道，以允许直接冷却导体和/或绝缘层和/或EM柱的高百分比的表面积。在槽中跳过导体可在每层的多个槽中发生，周期性地间隔开。冷却通道或导管可具有冷却剂流。在一些实施方案中，冷却通道或导管可以连接到冷却流体源。周期性槽中缺失的导体可用作空气或其他气体流动冷却通道，以便与在人工低温下使用较高密度的流体如水或油相比，减少设备的重量，以提高某些应用中的效率。导管可以轴向连通到孔口以排出冷却剂流。
具有导体层的公开实施方案可以通过手工或机器组装，然后可以夹在两个平坦表面之间并用灌封化合物封装。在灌封过程中，顶部和底部模具板可以足够地缩回以允许所有表面润湿，然后再次轴向地再次接触或接近。柱的长度可用于定位上部和下部灌封模具部件(未示出)。
如果需要内部冷却，则从开口槽区段移除灌封化合物，例如通过允许重力从大间隙移除灌封化合物，或者通过推动空气通过装置以将灌封化合物推出空腔，或者通过旋转定子以用离心力从冷却剂通道中移除灌封化合物。在该操作中，气流或离心力可以足够低，使得其不会从紧密配合部件之间移除灌封化合物。
层可粘合在一起或熔合在一起或以其他方式紧固在一起。如果某些内部层(诸如但不限于阳极化铝或其他隔离层之间的铜层和间隔层)被镀锡，并且如果所有组件或它们的涂层可通过给定的焊料化合物粘合，则可以组装这些部件然后在烤箱中加压加热，以将所有融合在一起。重要的是，如果使用焊料预先镀锡，则分离层涂覆有合适的绝缘体，诸如硬质阳极化，因此不存在导体层与层的导电性。作为另外一种选择，可使用热塑性树脂涂覆部件，然后可在足够压力下在烘箱中组装和加热和熔合，以确保正确的轴向和其他尺寸。在组装期间或之后可使用环氧树脂或其他硬化粘合剂来粘附和灌封部件。如果设计中包含气流通道，则灌封之后可在环氧树脂硬化之前将粘合剂从大室中吹出或旋转出。提供薄且一致的粘合剂或焊料涂层的预浸料或焊料镀锡工艺的优点在于可以不需要吹扫气流通道。只有紧密配合的表面才会彼此粘附。可以使用任何数量的柱或永磁体。使用焊料作为键合剂还将提供从导体到硬质阳极化绝缘层以及到冷却通道中冷却流体的优异热传递。
示例性实施方案可以配置具有多层的定子和/或PM载体，其中在一个或多个定子的两个轴向端上或一个或多个PM载体的轴向端上的两个或更多个定子上具有PM载体。仅轴向端处的定子和/或PM载体可具有护铁。
在分层导体的实施方案中，端部线匝的横截面积可以大于槽中导体的平均或最大横截面积。这降低了端部线匝的电阻，使它们运行比导体槽部分更冷，因此对于槽中导体起到有效散热器的作用，以增加导体的热容量，从而提高短期在非常高的电流密度下工作的能力，诸如在紧急停止期间或甚至在高加速期间的正常操作期间。端部线匝可能比槽线匝宽。端部线匝也可具有均匀的宽度。此外，与导体的槽部分相比，端部线匝的表面积更大，提供了非常有效的散热片效果，因为它们具有相同组件和高导电率材料，例如铜或铝，从槽线匝到端部线匝的热流阻力低。冷却这些端部线匝“散热片”可使用任何数量的液体或气体冷却装置进行，具有或不具有上述槽通道冷却。
以上可以在一个或多个PM载体任一轴向端配置两个或更多个定子。PM载体可以具有任何类型的PM磁体，并且可以配置有Halbach阵列或伪Halbach阵列(PM在载体运动方向极化，其间有钢以提供磁链)。定子和“转子”都可以通电以减少或消除对永磁体的需要。可以使用任何数量或几何形状或尺寸的柱和PM或其他部件。制造技术包括PCB制造技术，其具有用于线圈的传导迹线和与拾放设备组装的柱。较大的马达或致动器或发生器可以使用如本公开中其他实施方案所述的预制导体过程。
在电机的一些实施方案中，卷绕以单层提供，或者与相邻柱的卷绕相互交叉或并排。单层提供减小的导线长度，对于给定电流产生的热量较少。所有电线的直接接触(通过绝缘)提供了较低的热流阻力路径，以使热量从导线耗散到壳体或其他冷却构件。较短的柱缩短了从导线到壳体的热量路径。增加柱数可以增加定子(或转子)表面积，这可以在定子上提供更大的表面积，以用作定子(或转子)和线圈中产生热量的辐射或对流散热片。与其他情况相比，这些特征有助于在导体中运行更高的电流。
可以在所公开的任何实施方案中使用各种设计特征。槽填充可尽可能高，并具有相对于直径的短柱，槽壁更平行，使得槽填充更高。电流密度取决于所使用的材料，但是由于所公开几何形状增强的冷却效果而可以增加。所公开的几何形状可以与任何合适数量的相一起使用，诸如3相或5相。可使用集中或分布的卷绕。可使用各种柱形状，例如平行侧面。定子极与转子极的比率可以是5∶4，例如每4个永磁体5个柱。然而可使用各种比率。也可使用主动冷却。气隙可以是例如0.005”至0.009”，但是在某些制造复杂性的风险下可使用较小的气隙，或者在一些扭矩损失时使用较大的气隙。磁体尺寸可以是1∶1周向宽度与径向高度，但是可使用其他尺寸。在计算所示分析的马达重量时，重量是定子护铁厚度加上柱高加上铜体积加上PM体积加转子护铁。可使用各种强制冷却方法，尽管所公开的分析假设了流体冷却的壳体。
所公开的极密度和导体体积(柱高)特性可应用于具有槽和齿的所有类型的电机，包括以下电机：DC，AC，同步，异步，轴向，径向，内定子，外定子，线性，感应，无刷，PM，开关磁阻，双凸极，通量反转，通量切换，混合激励，通量记忆，磁齿轮，游标，无磁，双馈游标和双转子。
随着输出扭矩的增加，磁力会导致定子和/或转子的变形，导致精度不足，噪声增加，振动，疲劳应力以及最终部件失效。如果大多数相邻的定子柱由不同相通电，则通过所公开的极密度、柱-PM比和导体卷绕可提供更均匀的磁力分布。在一个实施方案中，这些特征的组合导致磁力平均每三个柱重复一次。这与极高的极密度相结合，在定子和转子上产生非常均匀的力分布，在一些实施方案中，这降低了制造成本和复杂性，并且不需要额外的轴承和支撑结构。
在一些实施方案中，通过用保持气隙的低摩擦表面涂覆气隙来降低刚度要求。在线性马达的一个实施方案中，在气隙中施加低摩擦表面，其保持0.008”的气隙。涂层诸如DLC(类金刚石涂层)可在转子和定子两者上沉积在0.0025”处，并且将保持间隙。
限定极密度和柱高度的方程
已建立极间距(或密度)和导体体积的范围，所述范围在KR方面或在组合扭矩、扭矩重量比和Km的加权函数方面保有显著益处(如进一步描述的)。在加权函数方面的益处量取决于冷却量和其他因素，但是该方程限定了提供所指示益处的电机的新结构。给出了限定由产生这些益处的极密度和导体体积的范围确定的有界区域的方程。
在一个实施方案中，通过在由机器尺寸、柱密度和柱高度限定的相位空间的区域内操作来获得优点。图170A至图170F所示的一系列图形示出了用于示例性系列的线性马达截面几何形状的扭矩密度(z轴)v、槽密度(x轴)和柱高度(y轴)，这是使用一种在OCTAVETM(一种求解数值计算的程序)中生成的自动求解器来使用FEMM软件创建和分析的。在该示例中使用槽密度，因为它与极密度相同。
以下规则和假设应用于这个系列中的所有马达。每个区段具备144个电磁体和146个永磁体。转子包括NdFeB 52磁体和M-19硅钢的区段。每个永磁体切向地放置于转子并且被取向使得它的磁场方向切向地与转子对准并且与其相邻的永磁体相反。将M-19硅钢区段放置在永磁体之间。定子由M-19硅钢制成。电磁体在一个3相位配置中使用了集中的绕组线圈。假设线圈具有75％的填充系数，具备75％的槽面积。被调查的两个变量是柱高度和槽密度。其余的几何形状变量根据以下关系缩放：通过所有模拟的1.25英寸恒定的模型厚度，转子永磁体宽度设置为永磁体间距的50％，转子永磁体高度设置为永磁体宽度的2.3倍，定子槽宽度是定子电磁体间距的50％(与柱和槽的宽度相等)，定子护铁高度设置为定子柱宽度的50％，气隙轴向高度为0.005英寸。
表示所公开的独特几何形状的有界区域以优选实施方案为模型，该优选实施方案即会产生最高的扭矩重量比和KR的实施方案。在这个实施方案中已做出某些设计选择，诸如选择在转子中使用N52级NdFeB磁体、选择转子极对定子柱的比率为146∶144，和选择具有护铁的通量集中转子。据发明人所知，这种配置代表对于所公开直径中执行器的尺寸的最高的实际扭矩重量比配置之一，同时仍然保持可制造性和结构稳定性的合理水平。许多其他配置是可能的，诸如不同的转子类型(表面永磁体、埋入永磁体等)、不同的磁体材料和等级(包括但不限于陶瓷、钐钴和高温NdFeB)、不同的转子极与定子柱比、不同的定子绕组配置、不同的定子材料等。在许多情况下，对于这些参数的不同设计选择不会通过像优选实施方案那样对于相同的极间距和柱高度导致扭矩减少或重量增加来具有像比较于优选实施方案那么大的KR益处。然而，对于设计的大多数，当所有其他的设计变量和几何关系保持恒定时，相对于在所公开区域外的几何形状，通过在所公开区域内使用极间距和柱高度具有对KR的益处。这个原理对于集中和分布式绕组设计两者、对于线性马达、轴向通量旋转马达、径向通量旋转马达、梯形/环形旋转马达以及横向通量线性和旋转马达都是正确的。
对于那些马达截面几何形状中的每一者，执行磁模拟和热模拟。对于每次磁模拟，程序产生了质量、水平力和能量消耗的值。线圈横截面的几何外推用于找到端绕组的质量和能量消耗，以便更准确地预测整个系统的质量和能量消耗。对于计算失速扭矩和低速度时的扭矩，阻抗损耗的平方根是能量消耗的主导部分，带有基于槽的几何形状来解释端绕组的阻抗损耗的乘法器。这些值用于计算每次模拟的质量力密度(每单位质量的力)和面积正常化力(每单位气隙面积的力)。对于每次热模拟，程序产生了线圈温度、转子温度和定子温度的值。使用水作为冷却剂并且以700W/m2K的对流因数将设定的冷却速率施加于定子内表面。水的温度设定在15℃并且其流速在6至20mm/s之间。假定状态条件稳定。
对于恒定的电流密度模拟，将固定的电流密度施加到导体，并且通过程序计算所得的力、质量、能量消耗和最大定子温度。
对于恒定的温度、单位面积的力或力密度模拟，电流密度在每个几何点处被调整，直到有关参数达到目标值，并且记录在那一点处的其他参数。对于恒定的温度、单位面积的力和力密度模拟的目标误差分别是1度、0.002N/mm2和1N/kg。通过将面积正常化力乘以旋转马达中的气隙的圆周面积并且将力乘以直径以产生所得的扭矩，可将该数据直接应用到各种尺寸的旋转马达。由于马达的曲率半径，会存在一些小的偏差和与用线性结构来近似弯曲结构相关联的误差，然而我们的模拟已经示出了旋转的模拟扭矩典型地在通过线性模型预测的扭矩的10％以内。
高的扭矩重量比在一些应用中是有益的，但是扭矩的最小水平对于应用诸如机器人技术是必要的，在这些应用中，可能由于高的扭矩重量比执行器，无论臂有多轻，臂都必须具有足够的扭矩来提升和移动有效载荷。具有在该专利文献中所公开的范围内的极密度和导体体积的电机在可接受的能量消耗水平上提供高扭矩和扭矩重量比。
在恒定的电流密度2320下的单位面积的力在图170A中绘制为槽间距和柱高度的函数。施加到虚拟系列中的所有马达的相同电流导致所公开范围2322内的每面积的力显著降低(由虚线示意性地示出)。虚线对应于投影在3D表面上的每一尺寸(25mm、50mm、100mm和200mm，如相关于以下方程所讨论的)的中间边界。中间边界对应于方程组A2、B2、C2和D2。在这个图形中，示出了对于一系列在FEMM中分析的马达在恒定的电流密度2320下单位面积的力，在OCTAVE中使用脚本来找到对于给定的3相输入电源的最高的扭矩旋转位置。除了如所示地变化的导体体积和槽密度，这些马达在其他任何方面都是相同的。
在给定温度2324下最高可能的电流密度在图170B中绘制为槽间距和柱高度的函数。所公开范围2322内的指数级更高的散热特性允许在给定温度下具有更高的电流密度。低导体体积趋向于降低致动器重量，但是低导体体积也趋向于降低致动器扭矩。然而，当导体体积和槽密度在所公开范围内时，在从导体到定子背部或到可施加冷却的任何其他表面的热流动阻抗会存在剧烈的减少，因此允许在不使致动器过热的情况下将非常高的电流密度施加于导体。
在图170B中，使用与图170A中相同的马达系列，但是代替施加于每个马达的恒定的电流密度，电流密度是变化的直到导体的稳定状态温度为～70℃。以700W/m2K的对流因数将典型的水冷却效应的合理表示施加于定子的外轴向表面。水的温度设定在15℃。环境温度设定在15℃。因为水冷却表面在冷却方面是高度占主导地位的并且因为转子自身不会产热，因此为简明起见，没有将空气的对流冷却施加于转子。假定状态条件稳定。对于3D图形上的每个点，马达的电流密度从零开始增加直到线圈的温度达到～70℃。
图170C与图170D相同，除了具有6A/mm2的恒定电流而不是70摄氏度的恒定温度。因此，展示了短柱的散热有益效果如何给出预期外的有益效果公开范围，使用以下的加权惯例产生图170C：扭矩的权重为1、扭矩重量比的权重为3、能量消耗的权重为2。扭矩重量比是最高的权重，因为臂的重量由致动器的重量确定并且因为臂的重量典型地要比有效载荷的重量明显更高。扭矩权重为1，以将其包括为一个重要的考虑，但是意识到有效载荷可比臂的重量低得多。能量消耗被给予了中等的权重，因为其是一个很重要的考虑，但是已知能量消耗受益于更低的臂重量(其通过在扭矩重量比上更高的权重来实现)，所以在能量消耗上更高的权重被视为可能产生潜在相反的效果。
通过将恒定的电流密度施加于马达系列，并且将结果与以上权重相组合，图170D中的表面2328示出了朝向更低的整体性能并且通过槽(或极)密度和导体体积的所公开范围2322持续的趋势。图170D示出了当从图170B施加恒定的温度电流密度时在所公开范围内的益处。
对于马达容量的工业标准度量是KM，其基本是扭矩对能量消耗比。对于给定电力，KM假定充分冷却。它仅考虑产生特定扭矩水平所需要的能量的量。作为槽间距和柱高的函数的K″m表面2330绘制在图170E中。
从图170F中作为槽间距和柱高度的K″R表面2322的图形可以看出，扭矩对重量对能量消耗在所公开范围2332内示出了最预期外且巨大的益处。高KR在静止应用中可能没有大的益处，但在机械等应用中，KR指示功率消耗的益处可以通过减少整个系统的重量来获得。
一种产生示出K″R如何随着极密度和柱高度变化的图形的方法如下。考虑到具有几何形状A的马达截面具有低的导体体积(低的柱高度)和低的极密度。具有几何形状A的马达截面被模拟；使用水作为冷却剂并且以700W/m2K的对流因数将设定的冷却速率施加于定子内表面。水的温度设定在15℃并且其流速介于6至20mm/s之间。假定状态条件稳定。通过几何形状A的导体的电流然后增加直到导体的最大温度达到70℃。在这个点处的几何形状A的扭矩密度然后被记录并且绘制在图形中，用于柱高度和极密度的对应值。这个过程对于例如通过改变柱高度和极密度并且如上所述地缩放剩余参数获得的其他几何形状是重复的。例如，几何形状B可以通过增加柱高度并且如上所述地缩放所有其他参数从几何形状A获得。几何形状C可具有和几何形状A相同的柱高度，但具有更大的极密度。比较于几何形状A，几何形状D可具有增加的柱高度和增加的极密度。绘制扭矩密度在图形中得到一个表面。
发现扭矩密度随着极密度的增加和柱高度的减少而增加。在具有低的柱高度或高的极密度的几何形状中未示出发生此类扭矩密度的增加；仅在组合这两种因素的几何形状中观察到扭矩密度的益处。然而，在该区域中，效率正在下降。虽然图形基于指示的假定产生，但是发明人有把握地预测，基于所公开的冷却效果和增加极密度和减少导体体积或柱高度的通量损耗的减少，相同的几何形状将具有在模拟中使用的其他参数值方面的益处。不影响柱高度或极密度的马达设计元件的改变不预期导致益处的损失。例如，包括具有切向取向的永磁体的转子的电机和包括具有表面安装的永磁体的转子的类似电机可拥有少量不同的K″R表面；尽管如此，上述原理仍然适用，并且仍然可以预测在先前描述的低柱高度和高极密度的几何形状区域内的益处。如目前所理解的，该原理仅适用于具有柱的电机，诸如轴向通量机和径向通量机。
在所公开的方程和图形中，参数K″R是与尺寸无关的并且已经从传统的KR转换而来以使用力代替扭矩，并且与圆周长度和轴向长度两者无关。因此，可从K″R值发现任何尺寸马达的传统KR。并且对于两个尺寸(在气隙和轴向长度上的直径)相同但是几何形状(即，极密度和/或柱高度)不同的马达，乘法系数是相同的，所以具有高K″R的马达将具有更高的传统KR。
K″R作为极密度和柱高度的函数与示出传统KR的图形的表面非常相像。然而，当在分析中使用不同的温度作为限制条件时，对应于扭矩密度的这个特定表面可发生相当大的改变。K″R，对比之下，基本不改变(只要电流不变得足够高使得系列中的马达开始饱和；那么3D曲线形状会改变)。因此，用于限定导致先前讨论的益处的极密度和柱高度的特定范围的是K″R。
所公开的益处的范围取决于气隙处的所得马达直径。较小的马达受较多的限制，因为马达的物理尺寸防止使用较低的槽密度。在此定义了4个离散电机直径范围，分别对应200mm及以上、100mm及以上、50mm及以上、以及25mm及以上。针对每个直径范围，描述了三个级别的K″R。对于该特定的直径范围，第一个对应于K″R开始时的小益处，第二个对应于中等K″R益处，第三个对应于高K″R益处。较高的K″R值通常对应于该马达尺寸范围的较低的总扭矩值。
所公开的这些电机尺寸(25mm以及高达200mm及以上的直径)表示小型到大型电机。在模拟中使用的0.005英寸的气隙据信对于这个马达范围是最小的合理的气隙尺寸。由于制造公差、轴承精度、部件偏转以及热膨胀，较小的气隙对于该电机范围是不实用的。
以上方程中的因数是以对有关区域划界的方式来选择并且使所得的关系是几乎连续的。
对于这些模拟，选择50∶50的柱：槽宽度比，如分析已经示出了当比率在40∶60和60∶40之间时获得最高的益处。50∶50的比例表示典型的最佳情况；在固定的柱高度处，比较之下使用10∶90的槽：柱宽度比会具有显著降级的性能。分析示出了在恒定的柱高度处，实施方案在50％槽宽度处表现出扭矩和扭矩密度的最大值，并且在40％槽宽度处表现出Km和Kr的最大值。然而，Km和Kr的最大值在50：50几何形状下给出的值的5％内；因此50∶50比例被视作是对缩放用于模拟的参数的合理选择。其他柱：槽宽度比会给出所公开的益处的一部分。
以下讨论了示出对于不同的实施方案的极密度和导体体积的范围的方程和图形，所述范围在KR方面或在组合扭矩、扭矩重量比和Km的加权函数方面保有显著益处。与先前描述的方程一样，在加权函数方面具有益处的区域取决于冷却量。
电机的尺寸是指如本文所定义的轴向通量机或径向通量机的气隙直径或线性机器的载体的平移方向上的长度。
第一有界区域与相对于域中的其余几何形状发现显著的KR益处的区域相对应。对于给定的设备尺寸，KR在所公开的几何形状范围内具有比在该范围之外的任何地方更高的值，指示对于使用这些几何形状的设备的某些应用的整体系统效率的潜在益处。K″R的图形用于通过在一个指定的K″R值处放置一水平平面来限定边界。K″R的四个值用于针对对应于200mm及更大、100mm及更大、50mm及更大和25mm及更大的尺寸的四个不同的致动器尺寸范围限定益处的区域。
在下表中，极间距由变量S表示，单位为mm。柱高度也以毫米为单位表示。
在具有25mm尺寸的机器中，对于K″R＞3.3的边界线由表1中示出的值限定，并且对应的图形是图180。
Figure GDA0002971228310000951
在具有25mm尺寸的机器中，对于K″R＞3.4的边界线由表2中示出的值限定，并且对应的图形是图181。
Figure GDA0002971228310000961
在具有25mm尺寸的机器中，对于K″R＞3.6的边界线由表3中示出的值限定，并且对应的图形是图182。
Figure GDA0002971228310000962
在具有50mm尺寸的机器中，对于K″R＞2.2的边界线由表4中的值限定，并且对应的图形是图177。
Figure GDA0002971228310000963
Figure GDA0002971228310000971
在具有50mm尺寸的机器中，对于K″R＞2.5的边界线由表5中的值限定，并且对应的图形是图178。
Figure GDA0002971228310000972
在具有50mm尺寸的机器中，对于K″R＞2.9的边界线由表6中的值限定，并且对应的图形是图179。
Figure GDA0002971228310000973
Figure GDA0002971228310000981
在具有50mm尺寸的机器中，对于K″R＞1.5的边界线由表7中的值限定，并且对应的图形是图174。
Figure GDA0002971228310000982
在具有50mm尺寸的机器中，对于K″R＞1.7的边界线由表8中的值限定，并且对应的图形是图175。
Figure GDA0002971228310000983
在具有50mm尺寸的机器中，对于K″R＞1.9的边界线由表9中的值限定，并且对应的图形是图176。
Figure GDA0002971228310000984
Figure GDA0002971228310000991
在具有200mm尺寸的机器中，对于K″R＞1.3的边界线由表10中的值限定，并且对应的图形是图171。
Figure GDA0002971228310000992
在具有200mm尺寸的机器中，对于K″R＞1.5的边界线由表11中的值限定，并且对应的图形是图172。
Figure GDA0002971228310000993
在具有200mm尺寸的机器中，对于K″R＞1.8的边界线由表12中的值限定，并且对应的图形是图173。
Figure GDA0002971228310001001
对于每个机器尺寸，针对给定的K”值定义每个边界线，使得对于每个机器尺寸，存在一组K”值和对应的一组边界线。可以选择成对的边界线，其中一条边界线选自两个连续尺寸的设备中的每一者，即25mm和50mm、50mm和100mm或者100mm和200mm。边界线占据由尺寸、极间距和柱高度限定的空间或体积。边界表面可以被定义为空间中的二维不间断表面，该表面是连接第一边界线中的任意点和第二边界线中的任意点的所有线的并集的外表面。边界表面包封有益空间。对于每对边界线，边界表面限定有益空间。具有在给定的有益空间内的尺寸、极间距和柱高度的电机被认为落入由该机器尺寸的对应边界线限定的实施方案内。
对于大于最大计算尺寸的机器尺寸，使用针对最大计算尺寸计算的边界线。超过最大计算尺寸的有益空间因此简化地是由该尺寸的计算边界线限定的表面和对应于更大尺寸但具有等于表面上的点的极间距和柱高度的点的体积。
电机的主要部件包括具有电磁元件阵列的第一载体(转子、定子或线性机器的一部分)和具有限定磁极的电磁元件的第二载体，该第二载体被布置成例如通过轴承相对于第一载体移动，该轴承可以是磁性轴承。该移动可由第一载体和第二载体(马达实施方案)的电磁元件或由外部源产生的磁通量的相互作用造成，在这种情况下该移动造成在电机(发电机实施方案)的绕组中产生电动力。在第一载体和第二载体之间提供气隙。第一载体的电磁元件包括柱，柱之间具有槽，每个槽中有一个或多个电导体，第一载体的柱具有以mm为单位的柱高度。第一载体和第二载体一起限定电机的尺寸。磁极具有以mm为单位的极间距。马达的尺寸、极间距和柱高度被选择为落入由尺寸、极间距和柱高度限定的空间中的区域内。该区域由以下项限定：1)以下项的联合：a)由第一尺寸的电机的第一组不等式限定的第一表面、b)由第二尺寸的电机的第二组不等式限定的第二表面；以及c)限定为包含位于线段上的所有点的集合，所述线段具有在第一表面上的第一端点和在第二表面上的第二端点，或2)由一组不等式限定的表面和对应于更大尺寸但是其中极间距和柱高度对应于表面上的点的所有点。
第一组不等式和第二组不等式分别是A和B，或B和C，或C和D的不等式组，其中A选自由表1、表2和表3中提出的方程(分别为等式组A1、A2和A3)组成的不等式组的组，B选自由表4、表5和表6中提出的方程(分别为等式组B1、B2和B3)组成的不等式组的组，C选自由表7、表8和表9中提出的方程(分别为不等式组C1、C2和C3)组成的不等式组的组，D选自由表10、表11和表12中提出的不等式(分别为不等式组D1、D2和D3)组成的不等式组的组。
电机的特征空间可以由针对相邻尺寸的不等式组定义的任何一对不等式形成，例如：A1 B1、A1 B2、A1 B3、A2 B1、A2 B2、A2 B3、A3 B1、A3 B2、A3 B3、B1 C1、B1 C2、B1 C3、B2C1、B2 C2、B2 C3、B3 C1、B3 C2、B3 C3、C1 D1、C1 D2、C1 D3、C2 D1、C2 D2、C2 D3、C3 D1、C3D2、C3 D3。它也可以由任何一组不等式形成，并且所有点对应的尺寸更大，但在由不等式组定义的区域内具有柱高度和极间距。
本申请中描述的所有设备可具有落在由这些方程定义的区域和空间内的尺寸、极间距和柱高度。
在图1至图5所表示的实施方案的几何形状模拟中，使用0.005”气隙并使用N52磁体，该模拟产生1.53Nm/kg/W的KR”，该值在针对该尺寸的有益范围内。对图128至图129所示实施方案的几何形状的模拟产生2.13Nm/kg/W的KR”，该值也落在针对该尺寸的有益范围内。
几何形状的讨论
对于给定的电功率输入，几何范围提供异常高的扭矩重量比。该效率与温度无关。例如，在给定的扭矩重量比下，对于给定的冷却方法，在所公开范围内的致动器可以比在所公开范围之外的类似致动器更冷地运行，因为在所公开范围内的设备将使用更少的功率。
在这种情况下，低导体体积由于较短的导体而具有较低热阻的益处。在所公开范围内，以更高的电流密度为这些导体供电的需要不只通过设备的散热益处来补偿，以实现给定的扭矩重量比。在所公开的范围内，重量的减少(部分地由低导体体积导致)可超过所需的额外功率(其由较高的电流密度产生)，使得在KR方面可以产生净效益。在给定直径的机器中所述的几何形状范围提供了与已知用于小型机器的特征几何相关的散热效果，但是在大直径机器中根据本设备的原理使用。
为清楚起见，仍需要冷却以实现KR益处，但是假定KR计算使用了足够的冷却。对于某些电机和应用，辐射冷却便足够。对于其他电机和应用，需要风扇和散热片。对于全功率的其他电机和应用，需要水冷却。
对于所公开的电机，KR在低功率到高功率输出时是相同的(直到定子饱和，此时KR将减小)，因此取决于功率输出，将需要不同水平的冷却，但是扭矩对重量对能量消耗保持合理恒定。所公开的极密度和导体体积的范围通过给定的冷却方法针对给定的散热速率提供异常高的扭矩重量比。所公开的极密度和导体体积的范围针对施加于定子的后表面的给定冷却方法和给定的导体温度产生更高的扭矩重量比。针对所公开的极密度和电导体体积范围的电导体冷却的主要形式是从电导体到定子的后表面的热传导热传递。
例如，可通过与冷却流体直接接触或通过传导到另一构件诸如外壳，或者通过辐射，从定子的后表面提取热量。定子或导体的其他表面也可以通过各种方式冷却。对于许多马达类型，冷却定子的后表面被证明是成本有效且简单的选择。样品分析(在此未示出)指示，当定子或导体的其他表面冷却时，(与所公开范围之外的马达相比)显示出从定子后表面的更好的散热的所公开范围中的几何形状通常还将显示出比所公开范围之外的马达更好的散热。因此，定子的后表面被视为有用的冷却表面，以及该系列中每个马达对定子和导体的其他表面的冷却应用的有效性的指示。已经选择定子的后表面用于马达系列分析的主冷却表面，该马达系列分析用于识别所公开范围。
其他冷却方法可以应用于具有所公开的极密度和导体体积范围的电机，但是从导体到定子背面的热流路径优选地总是用于冷却马达，而不管使用了何种其他类型的冷却(例如直接盘管冷却)。
定子护铁
定子护铁的轴向深度可以是柱的宽度(周向或切向宽度)的50％。每个柱可具有切向宽度，并且定子可包括护铁部分，护铁部分的厚度等于或小于柱的切向宽度的一半，或者可以小于柱的切向宽度。较厚的护铁增加了重量，益处最少。较薄的护铁有助于冷却，但护铁厚度对冷却的影响不是很明显。护铁表面可以与外壳物理接触以从定子到外壳物理地传导热量，以及/或者定子的后表面可以暴露于主动循环的冷却流体以及/或者定子的后表面可以被配置为向大气或外壳或其他部件辐射散热，以及/或者定子的后表面可以被配置为通过空气或液体在定子和/或外壳表面上方的移动进行对流或被动冷却。可以包含或可以不包含移动经过定子后表面的气体或液体。定子的后表面可被密封而不与大气接触或暴露在大气中。大气可以是空气或水或致动器周围的其他流体。环境还可以是真空，诸如这是某些制造过程或空间真空所必需的。定子的后表面可以配置有散热片，这些散热片增加了表面积。这些散热片可暴露于冷却流体并且/或者与散热件诸如外壳或其他固态构件接触。定子上的散热片的高度可大于圆周方向上的柱宽度的50％。
除了从定子的后表面散热之外，其他散热表面可包括柱的表面，柱的表面可暴露于冷却流体，诸如空气或液体，空气或液体通过诸如导体和柱之间的槽循环。
冷却定子和/或导体的其他方法可包括在定子表面上方或下方和/或导体表面上方或下方的冷却通道。这些和其他形式的冷却被视为对从导体到定子后表面的主要导热冷却的补充。在一些情况下，相比主要传导冷却效应，补充冷却方法甚至可以从定子吸取更多的热量，但主动冷却方法需要能量和额外的成本和复杂性，因此在此公开了从导体到定子后表面的传导冷却路径作为主要冷却模式。
对于产生固定扭矩的单个致动器，能量消耗在所公开范围内上升，并且朝向所公开范围内的最小柱高度和槽间距以指数增大。通过模拟使用具有32mm径向齿长和转子和绕组的单个200mm平均气隙直径致动器产生100Nm扭矩所需的能量消耗，可以看出最低能量消耗发生在所公开范围之外，并且在所公开范围内能量消耗显著增加。为了使能量消耗最小化，设计人员将被引向更大的槽间距和更大的导体体积设备。对于这种类型的应用，使用本发明设备的几何形状的任何致动器将具有比在所公开范围之外朝向更大的槽间距和导体体积值的那些更高的能量消耗。
利用所公开的结构，该结构中电机的极载体包括槽和柱，该槽具有槽或极间距s，并且柱具有高度h，其中根据所公开的方程s与h相关，对于槽中的导体可施加电激励，电流密度为至少70A/mm2。通常认为超过70A/mm2的电激励适合于所公开的设备的操作。具有所公开的槽和导体结构的冷却效应提供冷却以抵消由导体中的电流生成的一些或全部热量。所生成的任何剩余热量可以使用所公开的冷却结构或通道中的一者或多者来消散。所公开范围内的马达显示出对于给定的电输入功率，磁通路径中的平均通量密度的减小。这部分地归因于较短柱的通量路径长度减小以及通过护铁从柱到相邻柱的距离减小，以及柱与柱之间的通量泄漏减少。结果是能够在所公开范围内在马达中运行更高的电流密度而不会达到饱和。与在所公开范围之外的马达相比，在给定电流密度下增加的冷却能力和较低的通量密度的组合产生一种条件组合，其中在给定冷却速率下对于给定温度可实现更高的连续扭矩重量比，并且其中由于在所公开范围内针对给定扭矩重量比以较低的通量密度操作，因此在所公开范围内的马达的峰值瞬时扭矩重量比可以明显更高。
为了实现所公开的几何形状的性能和能量消耗益处，必须克服的最重要的挑战之一是提供能够承受转子和定子之间存在的巨大磁力的结构。
所公开的转子的实施方案可在气隙中实现异常高的通量密度，从而导致定子柱上的高吸引力。同时，实现所公开的电机的实施方案的高扭矩重量比需要使用具有轴向厚度的护铁，在一个实施方案中，该轴向厚度小于柱的周向厚度(并且，在一个实施方案中，大约是柱的厚度的一半)。此外，所公开的轴向通量马达配置和所公开范围的相对短的定子柱导致固有的薄定子结构。利用径向通量马达，可以使用具有集成柱的圆形层压件。这具有固有的刚性，并且自然地提供沿着层压件的周向和径向取向的理想的通量路径。相反，本设备的实施方案的轴向通量功能需要组装各个层压零件。结果是需要为每个致动器制造多达数百个柱部件，这增加了制造复杂性、时间和成本。此外，相对较薄的护铁不为许多封装化合物或粘合剂提供足够的表面积以将柱可靠地固定到护铁，尤其是在电机常见的高频力变化和高温下。例如，可能用于将定子柱固定到定子中的接收槽中的典型航空航天粘合剂可能具有低于80摄氏度的热变形温度，以使环氧树脂上的应力小于300psi。
实施方案的护铁盘可以由层压件、粉末金属或固态金属制成。层压件的使用具有一定的优点，包括冲压材料构造的可能性；然而；如果使用层压件，它们必须通过能够承受设备操作的力和温度的装置附接。常用方法(诸如胶水)对于力和/或温度高的某些操作方案可能是不够的。尽管如此，叠片可能是其他方案的良好选择，并且预期适用于许多高速应用。
使用在每个颗粒上具有电绝缘体涂层的粉末金属作为实施方案的护铁具有减少涡流的优点。然而，这种涂层通常会减小磁力，因为它在通量路径中起到多个微小气隙的作用。这种材料通常也不如固态钢或铁坚固，具有明显更高的蠕变速率，特别是在高温下。
由固态钢制成的定子通常具有高涡流损耗。然而，在所公开范围内的马达的几何特征具有涡流和磁滞减小效果，在本发明设备的实施方案的一些操作体系中，例如当以适合于机器人技术的速度操作时，涡流损耗可以足够低以使得能够使用固态定子。使用固态材料有利于强度、刚性、耐热性和疲劳强度。由于本发明设备的实施方案在某些应用中通常可以在没有齿轮箱的情况下生成要使用的足够扭矩，因此所得的操作速度可以足够低以使得即使在用固态钢定子的情况下涡流损耗也是可接受的。已发现固态铸铁具有足够低的涡流损耗，在某些配置和操作方案中是实用的。
定子可以由层压堆叠或烧结粉末金属构造。与使用固态材料相比，这些构造的目的是减小垂直于通量路径的电绝缘软磁材料的横截面积，并且因此减少涡流的生成。涡流因需要额外的输入功率而使效率降低；涡流会产生额外的热量，必须由系统消散；并且涡流因产生阻尼效应而使输出扭矩降低。
由固态导电材料制成的单件式定子可以在所公开的极密度和柱高度范围内与所公开的设备的实施方案一起使用。为了避免生成涡流，应用的速度应当足够低，例如对于具有所公开的几何形状范围的175mm平均气隙直径马达，组成操作的50％(60％、70％、80％、90％)的占空度处于200rpm或更少。通过将该相对较低的速度范围与所公开范围内的定子齿的相对较小的横截面几何形状相结合，各个定子齿的作用稍微类似于叠片并且减少涡流的产生。通常认为小于200rpm的速度适合于设备的操作。小于100rpm、小于50rpm以及小于25rpm的速度也被认为适合于设备的操作。
另外，在所公开范围内，通过相对短的齿高度减少涡流的产生。涡流和磁滞损耗是体积相关的，因此对于给定的通量密度和开关频率，本设备的低体积有助于降低总铁损。
实心定子或一体的定子具有从柱到柱的连续通量路径，例如如图136和图137所示，但是根据实施方案，散热片可存在或不存在。因此每个柱是一体定子的一部分。连续通量路径可以由一体的易感磁材料提供。
连续的通量路径可以例如由由各向同性材料诸如球墨铸铁、钢合金诸如钴或硅钢、压制或烧结粉末金属制成的定子提供。金属可以是从柱到相邻柱各向同性的并且从柱到轴承座圈或柱到连接到轴承的构件或组件(包括从护铁到散热片和/或到轴承的可变材料合金)是各向异性的。这可以通过爆炸焊接或熔融沉积增材制造，或搅拌焊接或组合不同材料的其他形式来完成。
定子可以是从柱到相邻柱以及从柱到轴承座圈(或衬套座或接触件)的单件或整体。定子可以是从柱到柱以及从这些柱中的一者到压缩的构件或组件的整体，以便于预加载轴承或衬套。定子可以是从柱到柱以及从这些柱中的一者到压缩的构件或组件的整体，以便于预加载轴承或衬套，并且全部或部分压缩载荷是定子和转子之间的磁吸引力的结果。在预加载轴承的情况下，外壳组件可以足够柔韧以使轴承座圈在轴承预载荷的方向上移位，如果轴承存在，则超过轴承座位置，如果轴承不存在，则超过.002”。在预加载轴承的情况下，外壳组件可以足够柔韧以使轴承座圈在轴承预载荷的方向上移位，如果轴承存在，则超过轴承座位置，如果轴承不存在，则超过002”，并且通过定子对转子的磁吸引力，至少部分地提供施加在定子上以引起外壳变形的力。
披露范围内马达的实心定子的性能有益效果
已知在马达中使用实心定子可提供成本和制造有益效果的潜力。然而，通常不使用实心定子，因为已知它们在典型的旋转马达速度下会导致显著的涡流损耗。涡流产生热量，并且还具有降低马达扭矩性能的次要效应，尤其是在较高速度下。对于许多机械应用而言，50rpm致动器输出被认为是高速，而对于许多机械应用而言，200rpm被认为是非常高的速度。机械中使用的普通马达的转矩不足以在关节处用作直接驱动致动器，并且必须在没有扭矩增加齿轮箱的情况下使用。使用扭矩增加齿轮箱的结果是需要以比致动器输出高得多的速度操作马达。涡流损耗随着速度以指数方式增加，因此预期将实心定子用于机械致动器会导致非常差的性能。
层压板或电绝缘的粉末材料通常用在马达中，以在适合于机械的输出速度下驱动扭矩增加齿轮箱所需的速度以提供低涡流特性。但是，虽然已经证明使用层压材料或电绝缘粉末材料的需要对于要求保护范围之外的示例性马达是有益的，但是在所要求保护范围内的马达在涡流和磁滞减小方面表现出意想不到的有益效果，其中使用层压材料实际上对于诸如机械之类的运动控制应用中的性能是有害的。
分析设置
为了证明这种意想不到的有益效果，模拟了一系列马达以显示在200rpm下的涡流和磁滞损耗以及从低极密度开始并且将极密度增加到所公开范围内的一系列马达。模拟已经表明，对于具有本设备的集中通量转子实施方案的示例性马达系列，在最高19.7臂/mm2的电流水平，来自转子的PM通量占定子中总涡流和磁滞损耗的约80％或更多。因此，转子在200rpm下旋转时的非动力涡流损耗被用作在合理施加电流密度范围内的总损耗的可靠指标。
反转定子损失趋势
图183示出了两种实心定子材料的涡流和磁滞损耗与一系列示例性马达的层叠定子的涡流损耗和磁滞损耗的比较，这些马达具有相同的柱高与槽间距的纵横比以及相同的径向柱长度。损耗按如上所述模拟或计算，转子速度为200rpm，没有施加电流。注意，M19电工钢用于模拟一种实心定子材料，以便与M19层叠定子直接比较，即使它通常不是板状或块状。其他可提供板状或块状，或可浇铸成近净形状部件的材料在工业上可用，具有与M19类似的磁性能特性。
现在参见图183，可以看出在给定速度下较高极数所需的较高频率导致层叠定子系列中朝向和在所公开范围内的损耗以预期指数方式增加。如预期那样，与图中最右侧所示的具有大极间距的马达的层叠定子相比，实心定子中示出了更高的损耗。然后，这些损耗以比层叠定子大得多的速率增加，因为随着驱动频率必须增加，极间距从图的右侧向中间减小。然而，当极间距接近所要求的范围时，涡流幅度不会像在层叠定子系列中那样继续增加。这是因为朝向所公开范围的马达的较薄通量路径横截面，以及由于朝向所要求范围减小的定子体积而导致的减小涡流和磁滞损耗在整体效果中占主导，并且增加损失的趋势被逆转。这种预期趋势的逆转导致总涡流和磁滞损耗，其中在所公开范围内的实心定子下降到低于示例系列中的任何其他位置。
增加的扭矩重量比
虽然与层叠定子相比，图183中该分析中所示的损耗总是更高，但是对于所公开范围内的马达，与如图188所示层叠定子相比，这种趋势的逆转足以导致具有实心定子的扭矩重量比性能提高到约200rpm。在所公开的范围内，这种非常高的扭矩重量比的马达被证明足够高，使得它们可以用作机械关节处的直接驱动致动器，而不需要增加扭矩的齿轮箱。这产生了这样的情况：本设备非常高的扭矩重量比使得能够并且同时受益于实心定子的使用。它允许使用实心定子，使其能够作为机械关节处的直接驱动致动器，并且以对于直接驱动致动器而言被认为是高速，但足够低以利用当前设备减少损耗的几何形状的速度来操作。同时，在所要求范围内的马达通过增加超过相同材料的层叠定子所可能的扭矩重量比，而受益于实心定子的使用。
扭矩重量比分析设置
通过在最高200rpm的速度下模拟来计算涡流损耗引起的扭矩重量比的减小。在所要求范围之外的设备的24槽近似的扭矩重量比(施加的电流密度为6A/mm2)在极低的速度下显示为低于层叠的定子，并且在最高200rpm的范围内继续降低至进一步低于层叠定子。
由于刚性要求，需要较厚的护铁维持层压壳体中的气隙，因此示出本设备108槽近似的扭矩重量比，显著高于层叠定子。然而实心定子在最小护铁厚度下具有足够的刚性，并且不需要添加额外的材料。此外，由于在通量路径的相同横截面积中具有增加的磁性材料，实心定子的失速扭矩略高。
注意，为本设备108槽马达选择的施加电流密度为19.7A/mm2，因为它在失速扭矩条件下产生与24槽马达在6A/mm2下相似的功率消耗。
对于具有低槽密度的示例性马达，扭矩重量比几乎立即下降到低于零速度扭矩重量比并不奇怪。然而，对于所公开范围内的示例性马达，零速时扭矩重量比明显更高，这是由于能够以最小的护铁厚度保持刚性，并且与由非磁性绝缘层和粘合剂占据的通量路径百分比的叠层相比，100％磁性材料密度会导致更高的材料密度。随着速度的增加，使用现有设备的扭矩重量比仍然会像低槽密度马达那样下降，但是它仍然高于最高200rpm的层压马达的扭矩重量比。考虑到200rpm是机械应用的极高速度，并考虑到实心定子在降低成本和增加定子强度和刚性方面的其他潜在有益效果，因此当用于具有类似速度和扭矩重量比要求的机械或其他应用中时，本设备能够提供实心定子的已知有益效果而不会减小扭矩重量比。
深入描述
如何进行上述分析的深入描述如下。使用InfolyticaTM的MagNetTM软件进行3D模拟。使用Transient with MotionTM解决方案，构造和模拟在具有108个槽和110个极的要求范围内的几何形状的轴向通量机的线性近似，以预测实心和层压定子的损耗。使用所要求范围之外的几何形状进行类似模拟，相当于相同直径的24个槽和26个极。该模拟使用Steimnetz公式的分析应用来预测层压结构中的涡流和磁滞损耗。在实心结构中，使用结构中基于材料电阻率的欧姆损耗的平均值的模拟，来预测涡流损耗。一个系列，即Durabar65-45-12使用该软件生成涡流幅度，而另一个实心涡流幅度基于它们各自电阻率的乘积进行估算。对于24号M-19电工钢，假设实心的磁滞损耗等于层压等同物的磁滞损耗，但作者认识到实际上材料实心块中的磁滞损耗将大于层压堆叠。尽管如此，速度损失的大部分是由于涡流引起的，这是该研究的重点，因此这种假设被认为足以满足该研究的目的。对于实心Durabar 65-45-12，使用基于实验测量的估计分析地计算磁滞损耗，发现损耗约为5062J/m3，频率指数假设为1.1。根据模拟结果，估计定子中磁活性材料体积是齿体积加上护铁的一部分(等于单个齿深度与宽度之比)。因此对于Durabar，磁滞损耗计算如下：
Physt-Dura＝5062·Vactive·f1.1
其中，Physt-Dura是由Durabar 65-45-12中的磁滞引起的功率损耗，Vactive是定子的磁活动体积，f是初级磁开关频率。对于任何设备，初级磁开关频率与输出速度和极数相关，具体如下：
Figure GDA0002971228310001101
其中，RPM是设备的输出速度，单位为转/分钟，Np是极数。
基于由模拟计算的涡流损耗引起的扭矩减小，来计算由于磁滞损耗引起的扭矩减小。图187和图184中分别示出了本设备108槽近似和在所要求保护范围之外的设备的24槽近似的所得转矩，施加的电流密度为19.7臂/2和6A/mm2。
图183示出了与一系列示例性马达的层叠定子的涡流和磁滞损耗相比的实心定子的涡流和磁滞损耗，其具有相同的柱高与槽间距的纵横比以及相同的径向柱长。损耗按如上所述模拟或计算，转子速度为200rpm，没有施加电流。可以看出，虽然层叠定子的损耗朝向和在所要求保护范围之内以指数方式增加，但是当驱动频率增加时，具有实心定子的马达在从大槽间距向左移动到较小槽间距时最初显示增加损耗。然而，限制较窄齿中的涡流和减小齿体积的组合效果抵消了频率增加的效果，并随着槽间距继续减小而开始减小总损耗。这种反转趋势表明，在速度相对低的机械应用中，将实心定子与要求保护的几何范围相结合可获得可接受的损耗，这是非常明显的有益效果。
模拟已经表明，对于具有本设备的通量转子实施方案的示例性马达系列，在最高19.7臂/mm2的电流水平，来自转子的PM通量占定子中总涡流和磁滞损耗的约80％或更多。因此，转子在200rpm下旋转时的非动力涡流损耗可被用作在合理施加电流密度范围内总损耗的足够指标。图183中的数据示出在没有施加电流的情况下，在200rpm的转子速度下跨一系列槽间距的三个马达系列的涡流和磁滞损耗之和。
对于具有大槽间距的马达，与图183中200rpm的层叠定子相比，实心定子显示出更高的损耗，随着槽间距减小，这些损耗显著增加。然而在某一点，较薄横截面涡流减少的有益效果在整体效应中占主导地位，并且反转了损耗增加的趋势。这种趋势反转示出了在所要求保护范围内具有实心定子的总涡流/磁滞损耗，其下降到明显低于示例系列中的任何其他位置。损耗总是远高于层叠定子，但其他因素也有效，使这些损耗可以接受。
作为基线比较，对于本设备范围之外的示例性几何形状进行模拟，其中具有更大更宽的柱，具有用于相同平均气隙直径的24个槽和26个极，并且具有与本设备示例相同的齿宽与高度的纵横比。与本设备示例相比，齿的径向长度保持恒定，使得两个马达代表相同的外径和内径。对于典型的应用电流密度6A/mm2，图184所示结果表明即使在这些相对较低的速度下，实心定子中的扭矩显著下降31％，而层叠定子中的扭矩仅略微下降。类似地，由于在所要求保护范围之外的示例几何形状中的涡流而引起的损耗大于任何其他系统损耗，如图185所示。
为了演示具有实心定子的本设备的实际使用，在图186和图187中创建并记录分析，以模拟具有与图184和图185中相同OD的马达，但其具有如上所述的所要求保护范围内的几何形状。施加的电流密度为19.7A/mm2，对于失速扭矩条件(0rpm的速度)，其产生与图185中的设备类似的功率消耗。
实心M-19定子的单个和总定子损耗如图186所示。尽管涡流损耗随着速度急剧增加，但导体中的电阻损耗代表了大部分损耗，在该示例中最高为200rpm。本设备的几何形状导致涡流损耗，对于最高至就致动器而言机械应用的高速程度，其保持低于发明人认为可接受的水平，尤其是考虑到使用实心定子的许多其他潜在有益效果。
在高于200rpm的速度下，涡流损耗继续以指数方式增加，并且大到对于许多应用，甚至对于有益效果范围内的几何形状而言不可接受的程度。因此，使用本发明几何形状的实心定子对于许多典型的直接驱动马达应用是不实际的，其包括对于该尺寸马达而言大于200rpm的操作速度。它是典型的机械应用的相对低速范围(与典型的直接驱动马达应用相比)与允许有效地实现实心定子的当前设备几何形状的组合。
实心定子的一个有益效果是与层压或绝缘粉末材料相比，由于实心材料的机械强度高得多，因此能够增加本设备的扭矩重量比。在所要求保护范围之外，如图185的示例几何形状中，最佳磁属性所需的定子护铁的厚度也提供了足够的刚度，使得层压和实心定子将具有相同的体积。然而在所要求保护范围内，在层压或粉末烧结定子的情况下可能需要增加最小护铁厚度，以防止在使用小气隙和/或强转子磁体的某些情况下转子磁体的吸引力使定子变形并关闭气隙。在图188的比较中，在转子中使用了非常强的NdFeB N52永磁体，因此本设备范围内的层压定子的厚度给定为实心定子厚度的两倍作为估计，但是取决于方法粘合叠层，该厚度可能需要增加到更大。因此，通过允许更强的转子磁体用于相同的护铁厚度从而增加扭矩，实心定子通常将在当前设备范围内产生最高的扭矩重量比，速度最高例如200rpm，或者通过允许较薄的护铁用于相同的转子磁体从而减轻重量。增加扭矩重量比具有本公开中其他地方描述的功率消耗有益效果，其可以部分地或完全地抵消至许多机械应用的合理高速的额外涡流损耗。实心定子还通过减少加工时间来降低成本，并且在一些情况下甚至允许更低成本的材料和工艺，诸如铸钢部件。
除了结构和制造成本的有益效果，实心定子还可以提供比相同材料的层压定子更高的静态扭矩。如图187所示，实心M-19定子提供比层压M-19定子更高的静态转矩，这是由于叠层之间没有绝缘，其占层压定子体积的约5％。由于最初较高的静态扭矩，结合本设备的低横截面积，实心M-19定子可提供比可能最高50rpm或更高的层压等同物更高的扭矩。50rpm对于普通马达是低速，但对于许多机械应用而言被认为是合理高的速度。例如，如果机械的占空比平均为50rpm，最大速度为100rpm，则实心M-19定子的平均效率和扭矩可能类似于在该示例中的层压M-19定子。在200rpm(对于许多机械应用而言被认为是非常高的速度)，具有实心定子的示例性实施方案的扭矩低于使用层压定子的扭矩约9％。这仅是图184中示例性实施方案中使用相同的实心与叠片定子的比较中发现的该速度下扭矩损失的1/3，并且考虑到实心定子的其他有益效果而认为是可接受的损耗，诸如较低的成本和增加允许较低重量的结构完整性。图189中示出了两个实施方案的扭矩的直接比较，图190中示出了两个实施方案的总损失的直接比较。应当指出的是，M-19电工钢通常不以实心形式提供，但是为了说明的目的而在此用作直接比较。可以配制许多不同的合金并将其用作本设备的实心材料。例如，添加增加量的硅可用于进一步减少实心定子材料中的涡流。添加额外的硅可降低静态扭矩，但可以在较高速度下减少损耗作为可接受的折衷方案。实心定子材料的理想性能特征将取决于具体应用，但是本领域技术人员可以通过应用此处公开的原理来确定。
Durabar65-45-18球墨铸铁示出为可用于定子实心材料的另一个非限制性示例。这种材料是高度可加工的，并已用于各种原型。它具有比由M-19制造的相同定子更低的静态扭矩，但随着速度增加而具有类似损耗。在200rpm，仍然认为扭矩和效率足以提供非常高的扭矩重量比和可接受的功率消耗。
实心定子可以与尺寸在有益空间内的机器一起使用，并且具有不同尺寸但在实际限制内的气隙，诸如具有例如0.005”至0.010”范围的厚度，这取决于穿过气隙的磁力和所用材料的强度。在0.010”间隙处的模拟显示对于大多数公开的范围，该范围大于75％的面积显示在0.01”间隙处的KR有益效果。唯一显示有益效果较小的是最小尺寸为最高KR，即在不等式A2和A3或之间。因此对于所有马达，0.001”至0.01”的间隙存在有益效果。对于轴向通量机，护铁厚度可以是柱的周向厚度的轴向厚度的50％或更小，但是该值是可变的。较厚的护铁导致KR损失，而较薄的护铁导致强度损失。
定子可以由任何热成型的金属或金属合金制成，并且具有高于30,000或40,000psi的屈服强度，例如硅钢、钴合金、球墨铸铁或其他软磁合金，并且在20,000psi应力下没有可测量的蠕变。对于200mm平均气隙设备，旋转速度不得在大部分时间超过100rpm，或超过25％的时间超过200rpm，或者平均速度高于50rpm，以获得使用实心定子的最佳结果。具有一体定子的实施方案受益于以小于200rpm、100rpm、50rpm或25rpm的速度运行。
有益空间内的电机还提供非常高的峰值扭矩和非常高的安全停止能力。对于给定的电输入功率，这种电机显示通量密度降低。这部分地归因于较短柱的通量路径长度减小以及通过护铁从柱到柱的距离减小，以及柱与柱之间的通量泄漏减少。结果是能够在所公开范围内在马达中运行更高的电流密度而不会达到饱和。与在所公开范围之外的马达相比，在给定电流密度下增加的冷却能力和较低的通量密度的组合产生一种条件组合，其中在给定冷却速率下对于给定温度可实现更高的连续扭矩，并且其中由于在所公开范围内针对给定扭矩重量比以较低的通量密度操作，因此在有益空间内的马达的峰值瞬时扭矩重量比可以明显更高。
有益空间内的电机具有减少的材料体积，从而降低了制造成本并降低了制造影响。磁体可以通过以下方式磁性地保持(即使它们的自然状态被排斥或部分地从槽中排斥)，尽管大部分通量通过气隙连接，但是在柱相反端的额外深磁体和切口产生向内偏置。
为了将所公开的几何形状应用于诸如横向通量马达的马达类型，可能存在其他设计考虑因素，这些因素将影响实现所公开范围内的散热和其他优点的程度。例如对于横向通量马达，柱的宽度(在平行于线圈轴线的方向)与极间距不相关。然而，该宽度对于确定系统重量非常重要，因为它与定子护铁的必要厚度直接相关。还必须考虑柱的轴向宽度与线圈的轴向宽度的比率。如果减小这些量，则通过轴向排列整个组件可以使总气隙表面积和导体横截面积保持恒定。因此，最佳的扭矩重量比和散热也将取决于阵列间距和柱轴向宽度。
功率和冷却图
如图191所示，可使用冷却供应3402冷却致动器3400。冷却供应3402可经由流动通道3404提供用于冷却致动器3400的流体流。冷却供应可连接到所公开的任何流动通道，包括任何壳体或开口的内部，或定子或转子或任何所公开载体上。还可以通过功率源3406向致动器3400供电(电激励)。功率源3406可使用电源连接器3408向致动器3400供电。
超轻实施方案
图182至图199B所示的视图是根据所公开原理的自给式致动器组件的简化图。它使用衬套而不是轴承，具有成本和重量的有益效果，适用于典型的低速和/或短使用寿命的许多应用。注意，导体未在任何图像中示出并且可以是任何类型，包括此处为其他实施方案公开的那些。
参见图192，此处示出的致动器3500的实施方案在内转子3504的任一侧具有外部定子3502。在另一个实施方案中，可以在任一侧具有外部转子的内部定子，但是这不被认为是冷却所需的。所示的致动器使输出环3506相对于固定环3508移动。在所示的实施方案中，输出环3506位于致动器的内径(ID)，固定环3508位于外径(OD)，但在另一个实施方案中，输出环可位于外径而固定环可位于内径。
衬套或低摩擦涂层可用于使转子3504和定子3502之间的摩擦最小化，如图193A所示。如图193B的特写中更清楚地看到，所示实施方案在每个定子3502和转子3504之间的气隙中具有轴向位置衬套或低摩擦涂层3510，并且在转子3504和固定环3508之间具有径向位置衬套或低摩擦涂层3512。
如图194所示，定子3502具有柱3514。柱3514可径向定向，并且可具有来自柱的外径端的轴向延伸部/间隔物3516。这些延伸部3516优选地由定子柱3514和护铁3518一体制成。这提供了轴向上的高刚性以及将扭矩传递到固定环3508。通过使用柱尖端作为轴向间隔物，它允许将导体线圈插入到柱上而不干扰。如由附图标号3520标记的箭头所示，定子将由于定子和转子之间的磁吸引而向内弯曲，特别是在所示实施方案中朝向定子的内径。定子和/或转子的形状可以预成形，以便在考虑磁性吸引时实现任何所需的气隙，诸如定子和转子之间气隙空间ID到OD的合理一致的气隙。图195示出了定子柱3514的特写，其中更多箭头3520示出了弯曲方向。
如图196所示，所示实施方案中的转子3504包括保持永磁体(PM)阵列3524的永磁体(PM)载体3522。在所示的实施方案中，PM载体是具有转子护铁3526的集中通量PM转子载体。输出环3506转子输出环通过例如压配合、粘合剂或紧固件等固定到PM载体3522的ID(或OD输出配置中的OD)。从该图还可以看出，该实施方案中的固定环3508具有槽3532，用于接收定子柱的轴向延伸部3516。
图197示出了没有PM磁体的该实施方案的PM磁体载体3522。Pm载体具有柱3528和护铁3526，都优选地由一件式的各向同性材料，诸如钢合金或铁合金制成。通量限制孔3530放置在柱之间的护铁中。
图198更清楚地示出定子柱3514的OD端部的形状，包括延伸部3516。在备选OD输出实施方案(未示出)中，延伸部可位于柱的ID端。
为了进行示意性的说明，图199A和图199B示出了转子柱3528和定子柱3514的重叠图案。通过实现4或更大的转子柱定子柱差，并且通过确保定子或转子柱周向宽度的至少一部分比另一构件中的间隙更宽，可实现柱连续或几乎连续的重叠。此处示出了柱差为4的情况，可使用具有各种效果的更高或更低的柱差，诸如2或6或更多。
所公开范围内的马达的有源磁性部件可作为无框架马达插入系统中，或者由框架式马达或致动器中的轴承和其他结构支撑。从柱到柱的异常薄的通量路径横截面是所公开范围的几何形状中固有的。该薄截面几何形状提供了由各向同性软磁性材料(诸如铁合金或钢合金)构造定子的可能性，其具有在适合于许多机械应用的速度下提高性能和/或效率的令人惊讶的结果。各向同性软磁性材料还提供结构强度、刚度和抗蠕变性，以实现和保持实现高百分比的潜在扭矩所需的异常小的气隙。
有许多方法来配置此处所公开电机的实施方案的定子和转子之间的支撑结构和轴承。这些中的一些是本领域技术人员已知的。间隔物延伸部优选地通过压配合或接合特征(图中未示出)固定在间隔环中以增加定子刚性。此处示出了其他利用由各向同性转子和定子组件提供的异常刚性结构的其他结构。此处示出的实施方案提供了自给式的致动器壳体和轴承结构，具有最小的重量成本和复杂性。
通过使用各向同性定子的固有刚性，可用轴向间隔物支撑定子，从而防止它们在定子的ID或OD上拉在一起。在一个实施方案中，间隔物形成或机加工成在定子柱OD或ID上以延伸区段的形式与定子成一体。这些间隔物延伸部可彼此接触或者成为如此处所示的中间间隔环。在某些应用中，定子和转子之间的磁性吸引力可足以将组件保持在一起而无需额外的紧固件或粘合剂。在具有200mm外径的示例性实施方案中，定子和转子之间的磁性吸引最高可达或大于每个定子/转子气隙400kg。此处示出的构造提供足够的刚性，导致朝向转子的平均定子ID位移为0.001”至0.003”。定子和转子可预成形，使得该位移不会对所示的衬套或防滑涂层产生压力。在定子和转子之间具有四个柱差异的情况下，可实现四个等间隔的磁性吸引区域，以在定子上产生合理一致的力。此处示出了低成本且重量轻的轴承配置，其具有低摩擦衬套材料，诸如定子和转子之间气隙中的以及转子OD周围的Teflon。也可使用定子和/或转子上的低摩擦涂层。图199A和图199B示出了定子和转子柱几何形状的非限制性示例，其提供了优选地全部或高百分比地(诸如50％或更高，尽管较低百分比也可提供足够的重叠)始终与转子柱重叠的定子柱。这种高百分比的重叠柱在定子和转子之间提供一致的支撑，允许低摩擦涂层或中间衬套材料使转子保持在定子之间的中心。
定子中的少量柔性可用于最小化或消除定子和转子之间的间隙，同时仍允许热膨胀和制造公差的变化。
可将类金刚石涂层(DLC)或其他低摩擦、低磨损率的涂层施加到定子和转子柱尖端。
有许多材料可用于定子和转子。在成本和性能方面的示例性材料是球墨铸铁。由磁性吸引产生的定子中的少量柔性可用于将定子和转子柱面预加载在一起。定子和/或转子可预制为略微圆锥形状，以实现平行或其他的气隙几何形状。
轻质臂
图200至图207示出了在所公开的极密度和柱高度范围内的设备的示例性定子3802和转子3801的概述和简化截面视图，该设备插入作为无框架马达/致动器的机械臂3800中。需注意，为简明起见，这些附图中未示出导体和布线。用于臂枢轴支撑的轴承3804还用于限定气隙3809。这允许在系统中使用无框架致动器，而没有单独的致动器外壳的质量和复杂性。可以在无框架致动器组件的ID上结合间隔环3803使用附加轴承3808，以保持具有较长径向柱长度的所需气隙尺寸。联锁特征3812允许通过在壳体突片3816之间滑动定子突片3812并且根据迂回的路径3815将其锁定就位而将定子3802附接到下臂壳体3806。转子上的类似突片3814将转子3802固定到上臂构件3806和内轴承间隔环3803。定子和转子的质量仅通过附加的固定特征3814、3812以及轴承间隔环3803和内轴承3808的重量而增加。间隔元件3803可由低密度材料(诸如铝或镁)制成。该示例性实施方案具有175mm的平均气隙直径和25mm的径向柱长度。各向同性钢合金或铁合金定子3802和具有护铁的各向同性钢合金或铁合金转子3801具有足够的刚性，以在ID和OD处用轴承支撑时保持0.005”的气隙。
在一个实施方案中，转子3801与定子3802之间的磁吸引力可用于在轴承3804、3808上提供预载荷，并且可用于减少或消除对紧固件的需要，以保持轴承安置在上臂和下臂构件3805、3806中。这种构造被认为在简单性和重量轻方面是有益的，从而允许整个臂组件比使用所公开范围之外的马达更轻。
由于转子3801和定子3802之间的轴向向内的磁吸引力，它们必须都被固定以防止在气隙3809处朝向彼此移动。实现轻质但刚性的机械臂外壳是有益的，因此该示例性实施方案提供了一种从致动器的气隙轴向端组装臂和磁性部件的方法。这是通过在定子3802和转子3801的OD上使用一排突片3812、3814来实现的，这些突片允许定子和转子插入壳体3805、3806中，然后转动以与壳体3805、3806上匹配的突片3816、3813阵列接合。螺纹接合将是另一种选择。
一旦转子3801和定子3802组装在其相应的臂中，具有定子的上臂组件和具有转子的下臂组件就被放在一起。然后，转子和定子之间的力将预加载轴承3804、3808并将臂关节保持在一起，对于这种尺寸的设备，轴向力最高约400KG。
示例性交叉转子
此处描述了一种集中通量转子，其通过将两极分成两个单独的主体来减少北极和南极之间的通量泄漏，从而允许廉价制造和高性能，如图208至214所示。
该设计理想地适用于径向通量马达，其中几何形状允许交叉构造以减少北极环4114和南极环4112之间的泄漏。
图208是示例性转子的等轴视图。有两个带有交叉柱的环(端铁)。如图209的分解图中更清楚地所示出，该设备包括三个主要部件，北极环(带有端铁)4114、南极环(带有端铁)4112和间隔环4116。还包括永磁体4130，并且当组装转子时，诸如在环4114和4112与间隔环4116组装在一起之后，将永磁体4130放置在柱之间。由于这是集中通量转子，磁体4130具有磁化方向，其中所有磁体的N极面向北极环4114的柱，并且所有磁体的所有南极都面向南极环4112的柱。
北极和南极环由软磁性材料诸如钢或铁制成，并且可具有相同或相似的几何形状，具有提供强度和刚度的端部铁环，以及阵列柱4112(在该径向通量实施方案中轴向从环突出)。每个环具有相同数量的柱。图210示出了北极环或南极环之一，例如南极环4112。柱可包括磁体保持突片4122，以在两个环完全在一起时机械地固定PM。
如图211所示的间隔环4116可由优选轻质的非磁性材料如铝制成。间隔环可以是带状，具有限定凹槽4124的凸起的浮突4126。凹槽4124接收两个环的柱，使得柱沿周向精确地间隔开，并且在相对环的柱之间保持气隙。在所示的径向通量实施方案中，间隔环槽4124允许两个环轴向配合在一起，但防止每个环上的柱4120的轴向端接触相对环的端铁的内表面。
为了组装转子，将两个环部分地一起滑入间隔环中的接收槽中。然后将PM 4130插入交叉柱之间，以实现图212左侧所示的配置。PM可放置在间隔环凸起的浮突上，其可比北极环和南极环的柱径向更薄，以限定柱之间的凹槽。当安装所有PM时，两个环被迫或允许相对于彼此滑动到最终轴向位置，如图212所示。如图212所示，环的最终位置使得在一个环的柱和另一个的端铁之间存在气隙4128。
结果是由于环上每个柱之间的空间而允许大切割工具或模塑/铸造特征，因此非常容易制造结构。该构造提供高强度和刚性，而不提供从南柱到北柱的通过钢或铁材料的通量返回路径。
此处描述的转子可与具有电磁体的任何合适的定子一起使用，以与转子的永磁体相互作用以形成电动马达。
图213示出了具有交叉环4112和4114并且没有间隔环的转子的图像。当切断外角的对角元件时，可见保持磁体4130的磁体保持突片4122。如同上述实施方案，间隙4128将柱与相对的端铁分开以减少通过端铁的通量。
图214示出了图7的没有保持突片的转子的不同型式。圆角径向延伸，并且不是突片。
经放大的磁转子
电动马达包括两个电磁元件载体，其磁性相互作用以相对于一个载体驱动另一个载体。在永磁体电动马达中，永磁体产生磁通量。永磁体可以与由磁性材料诸如铁制成的柱结合使用，以将柱磁化并放大磁通量。柱可以夹在两个磁体之间，这两个磁体都被磁化，其北极面朝向柱，或者两者都被磁化，其南极面朝向柱。柱和磁体的用以放大永磁体的通量的这种布置在本文档中称为“集中通量”。期望大量磁通量跨过载体之间的气隙以与另一载体的电磁元件相互作用。
柱需要支撑结构来支撑它们。为了实现强度和易于构造性，希望将柱和支撑结构一起构造为单块材料。该材料的连接柱的部分被称为“端铁”。然而，端铁提供了磁链路径4134，如图215和图216中的弯曲箭头所示，用于通量从磁体的一个磁极循环到另一个磁极而不进入气隙。
诸如例如在图144中所示的在OD和ID上的每个或每个第二转子柱的端部的通量阻止器减小了相邻柱之间的磁链，并由此增大了输出扭矩。通量阻止器是这样的空腔或间隙，其导致在北转子柱和南转子柱之间存在减小的通量路径横截面积的区域，其小于柱或端铁的横截面。在间隙完全中断通量路径的情况下，间隙内的材料是非磁性的，诸如空气，真空等。间隙处的通量路径横截面可以被认为是零(即，通量路径横截面被定义为通量路径中的软磁性材料的横截面)，尽管一些磁场线将跨过间隙。
然而，通量阻止器还降低了电磁载体的强度和易于构造性。
图215和图216中所示的示例示出了电磁载体4144，其通常是转子，其永磁体4130被支撑在由易感磁材料制成的结构4140内，易感磁材料在显示为与页面平行的两个维度上围绕磁体4130。虽然易感磁材料可以由单件形成，但是它可以概念化为由磁体之间的部分形成，称为柱4120，以及由磁体4139和柱4120上方和下方的将柱连接在一起的部分形成，称为端铁4142(上方和下方指的是页面上而不是指实际空间中的方向)。磁体具有在页面上沿侧向取向的磁极4132，侧向方向对应于轴向或径向通量马达中的圆周方向或线性马达中的运动方向。将存在将电磁载体与具有电磁体的另一电磁载体分开的气隙，但是其在这些图中不可见，因为气隙将平行于页面。可以认为图215和216示出了移除电动马达的另一个载体的剖面视图，该面视图来自在存在另一个载体的情况下将跨过载体之间的气隙的视图。
图215和图216中的图示可以表示轴向或径向通量马达，或它们的“拉直”线性等同物。对于轴向通量马达，在图215和图216中的页面上的“向上”表示径向方向，页面上的侧向表示圆周方向。对于轴向通量马达，页面上的“向上”表示轴向方向，页面上的侧向表示圆周方向。
在本公开中将使用以下术语：元件的宽度是元件在旋转马达的圆周方向上以及线性马达的行进方向上的尺寸。该宽度在图215和图216中表示为侧向。元件的深度是元件在垂直于电动马达的电磁载体之间的气隙的方向上的尺寸。深度由垂直于图215和图216中的页面的方向表示。元件的长度是元件在垂直于宽度和深度的方向上的尺寸。在图215和图216中，它由向上/向下方向表示。
在低纵横比的情况下，如图215所示，除非存在某种类型的通量阻止器，否则高百分比的磁通量将沿着实线箭头4134所示的通量路径从N极连接到相邻的S极。相比之下，如果使用高纵横比，如图216所示，来自磁体中心平面的通量更容易受到柱端部链接的限制，因为柱已经处于非常高的通量密度，因此跨过马达气隙的链接变为比柱径向端部周围的通量路径4134磁阻更低的通量路径(在轴向通量示例中)。因此，磁体径向长度与周向宽度之间足够高的纵横比(在轴向通量机的示例中)减少了对通量阻止器实现高扭矩的需要。
与永磁体的最大通量密度相比，本设备的实施方案提供了转子柱处增加的通量密度，以及维持电机中的气隙所需的高结构强度和刚度，诸如但不是限于轴向或径向或线性马达。
通过模拟证明，如果切向磁体宽度(和铁柱宽度)为1/16”，径向磁长度为1”，磁深度为1/4”，则通过在转子柱的端部使用通量阻止器，实现的扭矩增加仅为10-15％。通量阻止器需要额外的加工时间，并且还会降低转子的强度和刚度。出于该原因，在一些应用中通过使用高纵横比磁体来减少或消除对通量阻止器的需要可能是有益的。
每个柱在宽度方向上与两个磁体相邻，面向这两个磁体的北极或这两个磁体的南极，以提供从磁体进入柱的净磁通量。由于柱由磁性材料制成，该磁通量通过柱自身的磁化被放大，直到柱变得基本上被完全磁化的极限，这被称为饱和。
优选的是，大量的净磁通量从相邻磁体进入每个柱，并且在柱中被放大(由于两个磁体向相同的柱提供通量并且磁体的深度高于柱的宽度)，在深度方向上跨过气隙以与另一个载体的电磁体相互作用。经过端铁的磁链，如图215和图216所示，导致一些磁通量穿到其他柱，因此不进入气隙。
如图215和图216中所示的磁链路径在路径内的磁场明显低于饱和时，将倾向于转移极大部分的通量。柱与柱之间穿过端铁的磁通路径的磁阻越低，将采取跨过气隙的高磁阻路径的通量的量就越小。为了解决这个问题，发明人先前使用了通量阻止器，即，使磁链路径的一部分具有非常小的总横截面的空腔或限制。使用非常薄的端铁4142是另一种可用于使部分通量路径具有小横截面的方法。磁链路径的小横截面部分中的材料被低于总磁通量的磁通量饱和，导致超出饱和通量的附加通量具有较低的遵循磁链路径的倾向。
已经发现，通过改变部件的纵横比，即使在磁链路径4134中没有任何空腔或限制，并且甚至使用厚的端铁4142，也可以使总通量大大超过经过磁链路径的饱和通量，导致大部分通量将跨过气隙而不是经过磁链路径。
避免使用通量阻止器但使用厚端铁可以简化构造并提高强度。
在没有通量阻止器并且使用厚度等于或大于柱厚度的端铁的实施方案中，如图216所示，磁链路径的横截面与深度乘以柱的宽度成比例。假设磁体的深度按比例缩放，则总磁通量也随深度增加。总磁通量也随着磁体的长度而变化。因此，通过具有高的磁体长度-柱宽度比，可以实现高的磁链路径总磁通量与饱和通量之比。在如图216所示的设计中，柱是形成柱和端铁的材料块的位于容纳永磁体的孔之间的部分。因此，该设计中磁体的长度不能超过柱的长度。因此，说明该长宽比的另一种方式是高的柱长与柱宽比将允许容纳磁体以产生相对于磁链路径饱和通量的高总通量。在一些实施方案中，柱宽和磁体宽度可以相似。在此类实施方案中，高的磁体长度与磁体宽度比将提供相对于磁链路径饱和通量的高总通量。
图215和图216中所示的磁体延伸经过柱之间的间隙的全长。这使给定柱长的总磁通量最大化。然而，与端铁相邻的磁体的纵向尖端可以产生场，这些场形成穿过端铁而不进入柱的磁链。因此，使用不延伸经过间隙的全长的较短磁体可导致进入气隙的磁通量只有少量减少。
上面描述的图162示出了具有高纵横比磁体的线性马达的示例实施方案。该实施方案使用移动载体3300(这里将其描述为转子)，该载体被配置为在定子3330内移动，该定子在转子的两侧上具有电磁体。该实施方案中的转子3300由磁体3302的两个阵列形成，以便与转子3300两侧上的定子元件相互作用。永磁体在线性方向上具有交替极性，并且可以与转子另一侧上的相对磁体具有相同的极性，或者可以与转子另一侧上的相对磁体具有相反的极性。它们优选地具有与直接相对的磁体相同的极性，以减少从顶部磁体穿过转子柱3304到底部磁体的磁链。在该实施方案中，永磁体止动件用于将磁体定位在槽中的精确位置。
示例性两件式交叉转子
在磁放大轴向通量转子中，希望使用具有显著轴向深度的切向薄磁体4130。该轴向深度与周向厚度的比率可高于通过高速机加工操作来机加工的实际值。该设备的实施方案允许在柱特征之间具有更大的空间，其允许更大的切割工具(或形成诸如铸模的工具特征)，而不是将转子制造为具有非常窄且深的槽的单个部件。
图217示出了处于组装状态的示例性转子4150。
用于轴向通量机的两件式转子提供磁放大并具有以下有益效果。两个部件(内环4146和外环4148，各包括端铁)中的每一个具有的柱4120是相同数量柱的单件式转子的一半，因此间隔部件是最终组件的两倍。这允许在诸如铸模的成形工具上具有更大的切割工具或更大的特征。图218示出了分离的磁体和两个转子部件的分解图，可更好地看到单独的部件。
如图221所示，在每个柱的端部上的突片4156与另一个部件互锁，以保持两个部件彼此间隔和固定。两个部件上的柱的端部上具有突片，两个组件必须热装配。图219示出了转子，其中外环4148被加热并且内环4146被冷却以允许组装。该示例性几何形状需要2.5％的标度差。该标度可能需要不合理的温度，取决于所使用的材料，因此可使用较小的和具有较低径向干涉的突片。图220是用于比较的处于温度平衡状态的转子的直视图。
图221示出了收缩配合组装过程。在顶部和中部，外部件4148处于加热状态，内部件4146处于冷却状态，允许包括突片4156的柱4120滑过相对的端铁。在顶部，部件4146和4148彼此轴向置换，并且在中间，它们已经滑动到组装所需的轴向位置。在顶部，在端铁中可看到槽4118，用于接收突片4156。在底部，两件现在处于相同温度，并且突片4156在相对的端铁中的槽中定位。
柱的端部上的突片4156是与相对的端铁接触的唯一表面，为S和N柱之间的磁链提供最小接触面积，但足以防止柱轴向移动。
该实施方案的柱4120的几何形状在图222和223中更好地示出。如图可见，该实施方案中的突片4156各自具有与相对的端铁接触的较厚部分4154，以及配合到相对的端铁中的槽中的较薄部分4152。
需要收缩配合的上述两件式几何形状的替代方案是从OD环4148移除突片4156的实施方案，如图224至图226所示。这允许零件在不需要收缩配合的情况下组合在一起。图224是示出转子一部分的等轴视图。图225是该实施方案的分解组件的等轴视图，并且图226示出了完整的转子。

Claims (15)

1.一种用于电动马达的永磁体载体，所述永磁体载体包括：
第一端铁；
第二端铁；
柱阵列，每个柱从所述第一端铁和所述第二端铁中的至少一者朝向所述第一端铁和所述第二端铁中的另一者延伸，所述第一端铁和从所述第一端铁延伸的所述柱由第一单块磁性材料形成，并且所述第二端铁和从所述第二端铁延伸的所述柱由所述第一单块磁性材料或由第二单块磁性材料形成；
永磁体阵列，所述永磁体阵列布置在所述柱阵列的所述柱之间，每个永磁体在被取向为在所述柱阵列的与所述永磁体相邻的相应一对柱之间的方向上被磁化；和
支撑结构，所述支撑结构限定穿过所述第一端铁的每个相应一对柱之间的第一相应通量路径，以及穿过所述第二端铁的每个相应一对柱之间的第二相应通量路径，所述第一相应通量路径具有第一饱和部分，所述第一饱和部分具有第一相应饱和通量，并且所述第二相应通量路径具有第二饱和部分，所述第二饱和部分具有第二相应饱和通量，所述永磁体与所述柱结合产生总磁通量，所述总磁通量超过所述第一相应饱和通量与所述第二相应饱和通量之和，
其中，所述柱阵列的连续柱交替地从所述第一端铁和所述第二端铁延伸以互相交叉，每个柱利用横截面小于所述每个柱的接触部分来接触所述第一端铁和第二端铁中的所述每个柱不从其延伸的端铁，每个相应一对柱的所述第一饱和部分和所述第二饱和部分是所述接触部分，其中，每个接触部分都与所述每个柱成一体并且由相同的材料制成。
2.根据权利要求1所述的永磁体载体，还包括支撑元件，所述支撑元件相对于所述第二端铁支撑所述第一端铁。
3.根据权利要求2所述的永磁体载体，其中，所述支撑元件包括支撑环，所述支撑环限定用于接收所述柱的凹槽。
4.根据权利要求1所述的永磁体载体，其中，孔形成在所述第一端铁和第二端铁处，所述第一端铁和第二端铁的围绕所述孔的部分充当饱和部分。
5.根据权利要求1所述的永磁体载体，其中，所述永磁体在与所述柱对齐的方向上具有足以产生超过所述第一端铁和第二端铁的饱和通量的通量的长度，使得所述第一端铁和第二端铁的连接在所述柱之间的部分也充当饱和部分。
6.根据权利要求1所述的永磁体载体，其中，所述永磁体在与所述柱对齐的方向上具有足以产生超过所述柱的饱和通量的通量的长度，使得所述柱也充当另一饱和部分。
7.根据权利要求5所述的永磁体载体，其中，所述永磁体具有的在与所述柱对齐的方向上的永磁体长度与在取向在所述相应一对柱之间的所述方向上的永磁体宽度的比值大于4/1。
8.根据权利要求5所述的永磁体载体，其中，所述柱具有的柱长度与柱宽度的比值大于4/1。
9.根据权利要求5所述的永磁体载体，其中，每个永磁体在连续柱之间的空间的整个长度上延伸。
10.根据权利要求1所述的永磁体载体，还包括用于保持所述永磁体的突片，所述突片在所述第一端铁和所述第二端铁上。
11.一种轴向通量马达，所述轴向通量马达包括根据权利要求1所述的永磁体载体，其中，所述柱在径向方向上延伸，并且被取向在所述相应一对柱之间的所述方向是圆周方向。
12.一种径向通量马达，所述径向通量马达包括根据权利要求1所述的永磁体载体，其中，所述柱在轴向方向上延伸，并且被取向在所述相应一对柱之间的所述方向是圆周方向。
13.一种线性马达，所述线性马达包括根据权利要求1所述的永磁体载体，其中，所述柱在垂直于所述线性马达的运动方向并且垂直于所述永磁体载体和电磁体载体之间的气隙的方向上延伸，并且被取向在所述相应一对柱之间的方向是所述线性马达的所述运动方向。
14.一种用于电动马达的永磁体载体，所述永磁体载体包括：
第一端铁；
第二端铁；
柱阵列，每个柱从所述第一端铁和所述第二端铁中的一者朝向所述第一端铁和所述第二端铁中的另一者延伸，所述柱阵列的连续柱交替地从所述第一端铁和所述第二端铁延伸以互相交叉，所述第一端铁和从所述第一端铁延伸的所述柱由第一单块磁性材料形成，并且所述第二端铁和从所述第二端铁延伸的所述柱由第二单块磁性材料形成；
永磁体阵列，所述永磁体阵列布置在所述柱阵列的所述柱之间，每个永磁体在被取向为在所述柱阵列的与所述永磁体相邻的相应一对柱之间的方向上被磁化；
其中，每个柱利用连接部分连接到所述第一端铁和第二端铁中的所述每个柱不从其延伸的端铁，其中，每个连接部分的横截面小于所述每个连接部分从其延伸的所述每个柱的横截面，其中，所述每个连接部分都与所述每个柱成一体并且由相同的材料制成。
15.一种用于电动马达的永磁体载体，所述永磁体载体包括：
第一端铁；
第二端铁；
柱阵列，每个柱从所述第一端铁和所述第二端铁中的至少一者朝向所述第一端铁和所述第二端铁中的另一者延伸，所述第一端铁和从所述第一端铁延伸的所述柱由第一单块磁性材料形成，并且所述第二端铁和从所述第二端铁延伸的所述柱由所述第一单块磁性材料或由第二单块磁性材料形成；
永磁体阵列，所述永磁体阵列布置在所述柱阵列的所述柱之间，每个永磁体在被取向为在所述柱阵列的与所述永磁体相邻的相应一对柱之间的方向上被磁化；和
支撑结构，所述支撑结构限定穿过所述第一端铁的在每个相应一对柱之间的第一相应通量路径，以及穿过所述第二端铁的在每个相应一对柱之间的第二相应通量路径，所述第一相应通量路径具有第一限制部分，所述第一限制部分具有第一相应饱和通量和小于柱横截面且小于第一端铁横截面的横截面，并且所述第二相应通量路径具有第二限制部分，所述第二限制部分具有第二相应饱和通量和小于柱横截面且小于第二端铁横截面的横截面，
其中，所述柱阵列的连续柱交替地从所述第一端铁和所述第二端铁延伸以互相交叉，每个柱利用横截面小于所述每个柱的接触部分来接触所述第一端铁和第二端铁中的所述每个柱不从其延伸的端铁，每个相应一对柱的所述第一限制部分和所述第二限制部分是所述接触部分，其中，每个接触部分都与所述每个柱成一体并且由相同的材料制成。
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