CN1883103A - 含有低耗材料的轴向气隙电气设备中的定子的选择性调准 - Google Patents

Abstract

一种轴向隙电动机器包括与一个中间转子(40)同轴布置的第一和第二定子(42/44)。该定子(42/44)用它们各自的齿和槽的位置之间的轴向失准来被选择性调准。这些定子包括具有薄层的环形铁芯，所述薄层由选自非晶和纳米晶金属以及最优化铁基合金组成的组的材料构成。可选地，该机器还包括用于调整定子偏移的失准装置(46/48)。自适应调整允许该机器工作在一个减小电动机的反电动势的模式下，允许在速度提高时维持恒定电压。减小的反电动势也允许更宽范围的运行速度，尤其是在结合高的极计数的使用的情况下。可替代地，该机器可以在一个恒定转矩的模式下工作在例如较低的速度上。

Description

含有低耗材料的轴向气隙电气设备中的定子的选择性调准

相关的美国申请数据

本申请要求共同未决的2003年8月18日提交的美国临时申请No.60/496,368的权利，该临时申请题目为“Rotational MisalignmentOf Stators In Axial Airgap Electric Devices Comprising Low-Loss Materials(含有低耗材料的轴向气隙电气设备中的定子的旋转失准)”，于此整体被引入作为参考。

发明背景

发明领域

本发明涉及一种旋转式电动电气机器，并且更具体地，涉及一种包括两个或更多定子的轴向气隙机器，其中通过相对于定子中的一个参考定子选择性旋转的调准一个或多个定子来控制该机器中的生成电动势(EMF)。

现有技术描述

电动机和发电机行业一直在寻找用来提供具有提高了功效和功率密度的电动的旋转机器的方法。如这里所用到的，术语“电动机”指的是各类电动机驱动的机器和发电机，其将电能转换为旋转运动，且反之亦然。这样的机器包括可替代地被称作电动机、发电机以及再生(regenerative)电动机的设备。术语“再生电动机”在这里用来指的是一种可以作为电动机或发电机工作的设备。已知有很多种电动机，包括永久磁铁、绕场(wound field)、感应、可变磁阻、开关磁阻，以及有刷和无刷型。它们可以直接由一个直流或交流电源供电，该电源由电力工业电网、电池或其它可选源来提供。可替代地，它们可以由具有使用电力驱动电路合成的必需波形的电流来供电。得自任何机械源的转动能可以驱动发电机。该发电机的输出可以直接连接到一个负载或使用功率电子电路来调节。任选地，一个给定的机器被连接到一个机械源，该机械源在它运行的不同周期期间充当机械能的源或宿。该机器因此可以例如通过经由能够四象限工作的功率调节电路的连接而作为一个再生电动机。

旋转机器通常包括一个被称作定子的固定部件和一个被称作转子的旋转部件。转子和定子的相邻面由一个小气隙隔开，链接所述转子和定子的磁通量穿过该气隙。本领域的技术人员应当理解旋转机器可以包括多个机械连接的转子和多个定子。事实上，所有的旋转机器通常可分类为或者径向或者轴向的气隙类型。径向气隙类型指的是其中的转子和定子被径向隔开，并且穿过的磁通量主要垂直指向转子的旋转轴。在轴向气隙类型设备中，转子和定子被轴向隔开，并且穿过的磁通量主要平行于所述旋转轴。

除了某些特定的类型之外，电动机和发电机一般采用一种或多种类型的软磁材料。“软磁材料”指的是一种容易且有效地被磁化和退磁的材料。在每个磁化周期中不可避免地消耗在一个磁性材料中的能量被称作磁滞损耗或铁心损耗。磁滞损耗的大小是激励振幅与频率的函数。软磁材料还表现出高导磁性和低磁矫顽性。电动机和发电机还包括可以由一个或多个永久磁铁或由另外的由载流绕组环绕的软磁材料提供的磁通势的源。“永久磁性材料”又称作“硬磁材料”，指的是一种具有高磁矫顽性并且强地保持其磁性和抵抗被退磁的磁性材料。根据电动机的类型，永久和软磁材料可以被布置于转子或定子上。

到目前为止，当前生产的电动机主要使用各种等级的电或电动机钢作为软磁材料，它们是铁与一种或多种合金元素，尤其包括硅、磷、碳和铝，的合金。尤为普遍的是，硅是一种主要的合金元素。尽管普遍认为：具有用高级永久磁性材料构造的转子和具有用高级低耗软材料诸如非晶金属制成的铁芯的定子的电动机和发电机，具有提供与传统的径向气隙电动机和发电机相比基本上更高的效率和功率密度的潜力，但是构建这样的轴向或径向气隙类型的电机很少有成功的。先前将非晶材料应用到传统的径向或轴向气隙电机的尝试在商业上很不成功。早先的设计主要包括用非晶金属的绕组或圆形叠片取代定子和/或转子，典型地用齿切割通过内部或外部表面。非晶金属具有独特的磁与机械属性，使之难于或不能直接取代常规设计的电动机中的普通钢。

在电动机和发电机行业中的许多应用要求一种机器，其能够在其至少部分的正常使用期间显著超出一定的基本旋转速度地运转。该基本速度为一个电气设备运行在恒定转矩模式下时可达到的最大值。在该基本速度之上，反电动势通常超出额定供电电压。然而，对于在其中所述机器必须以宽范围的速度运转的许多应用来说，设计最优化是挑战性的。这个问题对于那些未合并一个可变比变速箱或其它速度匹配设备的系统而言尤为尖锐。例如，在电动车辆中的低速运行经常要求恒定转矩工作以搬移沉重的负荷或行经崎岖地段或斜坡、例如山间小路，这通常在大大低于基本速度的速度下进行。然而，高速运行，例如用于在平路上或发达的工业场所上巡游，则可能要求二倍或三倍于基本速度。对于高速运行来说，转矩要求通常较低，并且在其中可得的转矩反比于速度的恒定功率运行将提供显著的优势。

典型的永磁机器的一个已认识到的缺点在于该机器的生成电动势是该机器的旋转速度的直接线性函数。对于给定的电流，生成电动势也直接正比于功率输出。尽管在更高的速度上可以得到更大的功率，但在发电应用中也伴随地产生更高的电压。类似地，在电动机驱动的应用中，电源电压必须被增加以超过基本速度时所需要的电压。在任何一种情况下，构造技术和材料，特别是包括在控制电路中的绝缘和半导体以及电子元件，必须被相应地选择。结果，如果不是不可能有效控制成本的话，更高的电压是很困难的。这样，一个受控且可控的生成电动势是一个机器中的一个可期望特征，因为速度限制可以被放松。

现有技术参考文献已经讲授了在电气设备运行期间保持恒定的端电压的方法，这些方法基于操纵转子和定子之间的气隙。该气隙的小的减小引起定子绕组上生成的电压(EMF)的增加，且反之亦然。美国专利No.2,892,144与2,824,275公开了一种包括安置在转子对面的单个定子的发电机，其中该定子这样安装，使得在运行期间转矩的增加最终引起定子朝向转子运动，即趋于减小气隙。正常地将引起输出电压下降的增大负载(转矩)也引起该气隙的减小，所述气隙的减少引起电压的增高。

在一个可替代的实施方案中，美国专利No.2,824,275公开了一种包括安置在转子对面的单个固定定子的发电机，其中该转子这样安装，使得在运行期间速度的增加最后引起转子远离定子运动，即趋于增大气隙。因为输出电压正比于速度，所以增大的速度将引起增大的电压。然而，增大的气隙作用以减小电压。

作为不同类型电气设备的气隙操纵的另一个例子，美国专利No.5,627,419公开了一种改良的径向气隙飞轮，该飞轮具有用于响应于在旋转加速或旋转减速期间施加在定子上的电磁转矩而自动减小定子与飞轮之间的可调气隙以及在空转(freewheeling)运行期间增加可调气隙的自啮合装置。

已知其它方法可用于在运行期间通过操纵径向气隙机器中的转子与定子之间的重叠来控制电气设备的输出参数。作为一种在运行期间保持恒定速度的方法，美国专利No.403,017公开了使用在附接到径向气隙电动机的转子的调节器上施加离心力而减小转子与定子之间的轴向重叠。减小电动机上的负载通常将引起速度的提高，但是速度的提高增加了调节器上的离心力，这将引起转子相对于定子的轴向移位，从而减小转子与定子之间的重叠。转子与定子之间的重叠的减小引起转矩的减小，这将对抗速度提高的趋势。

最近，美国专利No.6,555,941公开了一种通过将转子相对定子轴向移位因而减小重叠，从而减小径向气隙电动机的反电动势的方法。因为转子偏移到与定子的更大轴向失准(misalignment)，定子场线圈上的磁通量减小，从而减小限制速度的反电动势。由于转子失准，电动机工作在恒定功率模式下，其中可用转矩反比于速度。

美国专利No.6,194,802也公开了一种通过减小轴向气隙电动机的转子与定子之间的重叠来减小反电动势的方法。转子磁铁块被安装在转子上使得在运行期间速度的增加将引起磁铁块上的离心力的增加，使它们向远离电动机中心的方向移动。该向外运动引起磁铁块与定子之间的重叠的减小，由此减小磁链与生成的反电动势。因此，该机器能够在更高的速度上旋转。

高速度(即高rpm)电机几乎总是采用低的极计数(pole count)来制造，以免以更高频运行的电机中的磁性材料经受促成低效的电动机设计的过度铁心损耗。这主要是因为用在当前绝大多数电动机中的软材料是一种硅铁合金(Si-Fe)。众所周知，由于在常规的硅铁基材料中以高于400Hz的频率改变磁场而引起的损耗导致材料变热，时常到了设备不能采取任何可接受的方式来冷却的程度。当前技术的许多应用，包括众多不同的领域诸如高速机器工具、航天发动机与致动器，以及压缩机驱动，要求电动机可高速运行，经常工作在超过15,000-20,000rpm，且有时高达100,000rpm。

到此为止，已经证明很难效能成本合算地去提供可容易制造的利用低耗材料的电气设备。以前将低耗材料合并到常规机器中的尝试通常是失败的，因为早期的设计典型地依赖于在机器的磁芯中仅用新的软磁材料、诸如非晶金属取代常规的合金、诸如硅铁。所得到的电机有时利用低耗来提供增加的效率，但是它们通常遭受不可接受的功率输出的减少，以及与加工及形成非晶金属相关联的费用上的显著增加。结果，它们没有取得商业上的成功或市场渗透。

因此，在本领域中仍然有对高效轴向气隙电气设备的需求，所述高效轴向气隙电气设备充分利用与低耗材料相关联的特性，从而消除与常规的轴向气隙电机相关联的缺点。理论上，一种改进的机器将提供更高效的机械能与电能形式之间的转换。以矿物燃料为动力的发电机的效率的提高将伴随地减少空气污染。机器将变得更小、更轻并且满足对于转矩、功率以及速度的更高要求。将减少对于冷却的要求。利用电池能量工作的电动机将运行更长的时间。此外，仍然有对这样的设备的需求，其中所述设备能够在恒定转矩模式下或通过合适的反电动势控制而在恒定功率模式下高效工作。还期望例如通过增加极计数来减小电机中的转矩脉动和齿槽效应(cogging)，以及伴随产生的电脉动。

发明内容

本发明提供了一种包括第一定子和第二定子以及在定子之间轴向布置且被支持绕轴旋转的转子的轴向气隙电动机器。所述定子分别具有安置在其上面的第一和第二组绕组。所述第二定子相对于第一定子被选择性调准，从而使所述第二定子偏移所述第一定子。所述定子包括具有薄层的环形铁芯，该薄层由选自由含有非晶与纳米晶金属以及最优化铁基金属组成的组的材料构成。在一些实施方案中，定子的调准是通过失准装置可调整的。

低铁心损耗的高级软磁材料的使用提供了设计上显著的灵活性，因为可能得到更宽范围的极计数及换向频率，而同时保持宽范围的可能的运行速度、高运行效率以及高功率密度。

另一方面，定子的绕组单独地连接到各自的第一和第二全波二极管电桥。作为定子偏移的结果，使个体绕组的波形相对相移。电桥的输出被连接在一起以提供直流母线电压。所得到的波形与在没有偏移且多个定子波形串联连接的情况下所得的波形相比减小了电流脉动，这允许滤波器电路被简化。定子的偏移也允许电动机以一种允许电动机的反电动势和/或运行期间产生的转矩脉动被减小的方式来工作。

本发明也提供了通过相对于参考定子可控地使电气设备的一个或多个定子失准来在电气设备运行期间减小或消除转矩脉动的技术。此外，公开了一个有助于减小电机的直流母线上的电流脉动的双全波二极管电桥装置。

在现有技术中，具有可选或可调的齿轮速比的传动已经被应用来提供一个高于最大电动机速度的、通常受限于反电动势(back-EMF)的轴输出速度。齿轮减速允许更高的输出速度来换取更低的可用转矩。另一方面，在传动系统中的固有摩擦损耗、机械简化以及可靠性考虑为避免共同传动的机器提供了强的动力。根据本发明的使定子失准的方法提供了一种电动机，该电动机能够从恒定转矩模式转移到恒定功率模式、即在恒定电压下工作，由此提供超出基本速度的速度而不需要任何传动或齿轮装置。

又一方面，提供了一种轴向气隙机器，该轴向气隙机器包括轴向气隙电动机器以及用于接口和控制该机器并且可操作地与其相连接的功率电子装置。

根据本发明的可制造和运行的电机的例子包括但并不局限于电动机、发电机和再生电动机。一种或多种电气设备可以是一个复合设备或系统中的一个部件。这样的复合设备的一个例子是包括一个或多个电动机的压缩机，其中所述一个或多个电动机可以与风扇集成到一起。

附图简述

通过参照下面的本发明的优选实施例的详细描述和附图，本发明将得到更加充分的理解，优势将变得更加显而易见，其中数个视图中相同的参考数字代表相似的部件，且其中：

图1示出了一个轴向气隙型定子的正面视图；

图2示出了一个轴向气隙型转子的一个正面视图；

图3至9针对两个定子之间的不同程度的失准示出了在转子的位置上的来自两个串联连接的定子的正弦波形的叠加结果；

图10示出了来自于两个串联连接的定子并且失准1/2全极距的两种类型的梯形波形的叠加结果；

图11和12示出了在零电流、定子失准1/2槽距时的转矩扰动；

图13示出了包括单个转子和两个定子的电气设备的一个实施例的俯视图和侧视图；

图14和15示出了用于控制一个或多个定子的旋转失准的一个外部控制系统的两个不同的位置；

图16、17和18示出了机械调节器型依赖于速度的对定子的旋转失准的控制操作；

图19和20示出了一个安装在弹簧上用于控制旋转失准的定子；

图21和22示出了一个安装在保形材料上用于控制旋转失准的定子；

图23示出了根据本发明的一个发电机在运行期间的参数曲线图；

图24示出了从电机中产生的包括整流电压的典型的单相交流电压与包括脉动的整流三相电压之间的一个比较；

图25示出了典型的现有技术的在电机中全波二极管所用的连接；

图26示出了典型的现有技术的来自于图25的装置的整流三相电压；

图27示出了一个与图26的波形相关联的典型直流电压脉动的详图；

图28示出了典型地与诸如图25所示的电机装置相关联的平均直流功率；

图29示出了所用的与电机的双定子相关联的双全波二极管电桥；

图30示出了来自于图29的装置的整流的三相电压；

图31示出了与图30的波形相关联的直流电压脉动的一个详图；并且

图32示出了与图29的电机装置相关联的平均直流功率。

具体实施方式

本发明的优选实施例将在下面结合附图进行更为详尽的阐述。

一方面，本发明涉及一种轴向气隙电气设备，诸如无刷电动机，该电气设备具有一个或多个转子和两个或多个定子，所述定子具有由一种能够高频工作的低耗、软磁材料制成的铁芯。优选地，所述定子的磁芯使用主要由非晶或纳米晶金属，或最优化的铁基软磁合金组成的薄条或带形式的材料制成。具有比通常用于电动机器中的结晶、铁基电动机和电工硅钢材料更低铁心损耗并且其经常比非晶或纳米晶材料具有更高饱和感应的晶粒取向和非晶粒取向的铁基材料，在这里被统称为“最优化的铁基磁性材料”。

在当前的电气设备中包含的非晶、纳米晶或最优化的铁基磁性材料使得能够增加机器的频率而不会相应地增加铁心损耗，这样产生了一种能够提供增加的功率密度的高效电气设备。此外，这种增加换向频率的能力允许更高极计数设计而不会减小最大可允许的机器速度。

所述一个或多个转子可以是永磁型转子。然而，本技术领域中已知的其它转子类型也可以应用在本发明的实际应用中。

非晶金属

非晶金属又称为金属玻璃，存在于适合用于本电动机的许多不同的成分中。金属玻璃典型地由一种必需成分的合金熔体形成，其例如通过以至少约10⁶℃/s的速度冷却而从该熔体迅速淬火。它们没有表现出原子长程有序并且具有仅显示扩散光环的X射线衍射图，与那些对无机氧化物玻璃所观察到的相似。许多具有合适的磁性的成分在美国专利No.RE32,925中被Chen等人提出。非晶金属典型地以长度延长的、宽度约20cm或更多的薄带(例如，厚度至多约50um)的形式提供。对形成不定长度的金属玻璃带有用的处理被公开在Narasimhan发明的美国专利No.4,142,571中。一种适合用于本发明的示范性非晶金属材料为SC的Conway的Metglas公司销售的不定长度且至多约20cm宽、20-25um厚的带状形式的METGLAS2605 SA1(见http：//www.metglas.com/products/page5_1_2_4.htm)。其它的具有必需特性的非晶金属材料也可以被使用。

非晶金属具有在制造与使用磁器具时必须被考虑的许多特性。与大多数软磁材料不同，金属玻璃硬而易碎，尤其是在经过典型地用于最优化它们的软磁性的热处理之后。结果，许多通常用来处理用于电动机的常规软磁材料的机械操作在非晶金属上很难或不能实现。模锻、冲压、或切割所产生的材料通常引起无法接受的工具磨损，并且实际上不能用于易碎的被热处理的材料。经常使用常规的钢完成的常规钻孔和焊接正常情况下也被排除在外。

此外，非晶金属表现出比常规的硅铁合金更低的饱和通量密度(或感应)。该更低的饱和通量密度通常引起根据常规方法设计的电机中的较低的功率密度。非晶金属还具有比硅铁合金更低的导热率。因为导热率决定了热是否易于通过一种材料从暖的位置被传导到凉的位置，较低的导热率值需要仔细设计电动机以确保由磁性材料中的铁心损耗、绕组中的电阻损耗、摩擦、风阻、以及其它的损耗源引起的废热被适当除去。废热的不当除去进而又将引起电动机的温度无法接受地升高。过高的温度可能引起电气绝缘或其它电动机部件的过早故障。在某些场合，超温度可能引起电击危险或引发特大火灾或其它严重的危害健康和安全的危险。非晶金属还表现出比一定的常规材料更高的磁致伸缩系数。一种具有较低的磁致伸缩系数的材料在一个磁场的影响下经历较小的尺度变化，这反过来将可能减小来自于机器的听得见的噪声，并且使该材料因为在机器制造或运行期间引起的应力而更易于减弱其磁性。

尽管有这些挑战，本发明的一个方面提供了一种成功地结合了高级的软磁材料并且允许电动机以高频激励，例如以大于约400Hz的换向频率工作。还可以提供用于制造该电动机的构建技术。作为该配置以及使用高级材料尤其是非晶金属的结果，本发明成功地提供了一种具有较高极计数、工作在高频(定义为高于约400Hz的换向频率)下的电动机。非晶金属在高频时表现出低得多的磁滞损耗，这将引起低得多的铁心损耗。与硅铁合金相比，非晶金属具有低得多的电导率且典型地比常规使用的通常为200um厚或更厚的硅铁合金薄得多。这两个特性促进了更低的涡流铁心损耗。本发明成功地提供了一种受益于一个或多个所述有利性质并由此在高频处高效工作的电动机，使用了一种允许采用非晶金属的有利品质、诸如低铁心损耗的配置，同时避免了使用高级材料的以往尝试中所面对的挑战。

纳米晶金属

纳米晶材料是具有约100纳米或更小的平均晶粒尺寸的多晶材料。与常规的粗晶粒的金属相比，纳米晶金属的属性一般包括增强的强度与硬度、增强的扩散率、改良的延展性和韧性、减小的密度、减小的模量、更高的电阻、增加的比热、更高的热膨胀系数、较小的导热率，以及优良的软磁性。纳米晶金属还具有一般或多或少比大多数的铁基非晶金属高的饱和感应。

纳米晶金属可以通过多种技术形成。一个优选方法包含初始地将所述必需成分铸造成为不定长度的金属玻璃带，使用例如那些上面所讲述的技术，并且将该带形成为想要的例如绕线形状的构造。然后，初始地，非晶材料被热处理以在其内形成一种纳米晶微观结构。这种纳米晶微观结构的特征在于存在一种具有平均尺寸小于约100um，优选为小于约50um且更优选约10-20um的高密度晶粒。该晶粒优选地占该铁基合金体积的至少50％。这些优选的材料具有低铁心损耗和低磁致伸缩。后一个属性也使该材料不太易于因包含该成分的设备的制造和/或运行引起的应力而减弱磁性。产生给定合金中的纳米晶结构所需的热处理必须以比用于一热处理所需要的更高的温度或更长的时间来实现，所述热处理被设计用来将基本上完全玻璃态微观结构保存在其中。适合于构造用于本设备的磁性元件的典型纳米晶合金是众所周知的，例如在授予Yoshizawa的美国专利No.4,881,989和授予Suzuki等人的美国专利No.5,935,347中提出的合金。这样的材料可以从日立金属(HitachiMetals)与阿尔卑斯电子(Alps Electric)得到。

优选地，所述纳米晶金属是一种铁基材料。然而，该纳米晶金属也可以基于或包括其它的诸如钴或镍等铁磁材料。

最优化铁基合金

本机器也可以采用最优化的低耗铁基晶体合金材料来构造。优选地这样的材料为具有厚度小于约125um的条状形式，比通常用于电动机中的厚度约200um或更多甚至有时厚达400um或更多的钢薄得多。可以使用晶粒取向和非晶粒取向材料。如这里所用到的，取向材料是一种其中组成晶粒的主结晶轴并非随机取向而是主要沿一个或多个优选的方向相关的材料。作为上述微观结构的结果，取向的条状材料沿着不同的方向不同地响应磁激励，而非取向的材料各向同性地响应，即基本上是同样地响应在该条的平面上沿着任何方向的激励。晶粒取向材料优选地被放置于本电动机中，其易于磁化的方向基本上与磁通量的主要方向相一致。

如这里所用到的，常规的硅铁指的是具有平衡块上约3.5％或更少的硅含量的硅铁合金。该硅的3.5wt.％的限制是由行业规定的，这是由于具有更高硅含量的硅铁合金的较差金属加工材料特性而导致的。由在高于约400Hz频率的磁场上运行所引起的常规硅铁合金等级的铁心损耗基本上大于那些低耗材料的铁心损耗。例如，在一些情况下，常规硅铁合金的损耗可以10倍于在本机器的频率和通量水平之下运行的机器中所遇到的频率和通量水平处的适合的非晶金属的损耗。结果，在高频运行下的常规材料将发热到一个其中常规机器不可能采用任何可接受的手段来冷却的温度点。然而，某些等级的硅铁合金，这里称作最优化硅铁合金，将直接可应用于制造高频机器。

用于本发明的实践中的所述最优化铁基合金包括硅平衡块高于3.5％、且优选地高于4％的硅铁合金等级。根据本发明的用于构造机器的所述非晶粒取向的铁基材料优选地基本上由范围从约4到7.5wt.％硅的量的铁与硅的合金组成。这些优选合金具有比常规的硅铁合金更多的硅。也可以使用铁硅铝合金、诸如铝硅铁粉。

更优选的非取向最优化合金具有基本上由铁与约6.5±1wt.％硅组成的成分。最优选地，具有约6.5％硅的合金表现出近零值的饱和磁致伸缩，使它们不太易于受因在包含该材料的设备的构造或运行期间遇到的应力而导致的有害的磁性减弱的影响。

最优化的目的是得到一种改良了磁性，包括减小了磁致伸缩以及尤其是减小了铁心损耗的合金。这些有益的品质在某些采用合适的制造方法生产的具有增加的硅含量的合金中可以得到。在一些情况下，这些最优化的硅铁合金等级由类似于非晶金属的铁心损耗和磁饱和度来表征。然而，含有高于约4at.％硅的合金很难通过常规的方法生产，这是因为它们由于短范围排序而导致的易碎性。特别地，用于制造常规的硅铁的常规轧制技术通常不能制出最优化的硅铁合金。然而，其他的已知技术被用于制造最优化的硅铁合金。

例如，一种适当形式的Fe-6.5Si合金由日本东京的JFE钢铁公司(JFE Steel Corporation)提供成50和100μm厚的磁条(也见http：//www.jfesteel.co.jp/en/products/electrical/supercore/index.html)。通过快速固化处理所生产的Fe-6.5Si，如授予Das等人的美国专利No.4,865,657与授予Tsuya等人的美国专利No.4,265,682所公开的，也可以被使用。快速固化处理也已知用于制备铝硅铁粉和相关的铁硅铝合金。

转子材料

本机器的转子可以包含任何类型的永久磁铁。适合的有：稀土过渡金属合金磁体，诸如钐-钴磁体，其它的钴稀土磁体，或稀土过渡金属-非金属磁体、例如NdFeB磁体。可替代地，转子磁铁结构包含任何其它烧结的、塑料接合的、或陶瓷永磁材料。优选地，该磁体具有高的最大BH能量乘积、高矫顽性，以及高饱和磁化，连同线性第二象限常态磁化曲线。更为优选地，使用取向且烧结的稀土过渡金属合金磁体，因为它们更高的能量乘积增加了通量且因此是转矩，而同时允许昂贵的永磁材料的体积最小化。在替代实施例中，转子包括一个或多个电磁体。

含有低耗材料的轴向气隙电气设备

本发明的方法应用于包括两个或多个轴向放置的、与一个或多个转子结构相邻的定子结构的电气设备。在一个包括单个转子和两个定子的示范性实施例中，所述定子被放置在同一个轴上的转子的相对侧。在优选实施例中，所述两个或多个定子包含低耗高频材料，诸如非晶或纳米晶金属、或最优化的铁基合金、晶粒取向的铁基或非晶粒取向的铁基材料。

所述定子优选地包括通过将低耗高频的带状材料螺旋缠绕成圆环而形成的金属芯。该圆环具有通常右环绕成圆柱外壳的形状，当沿着轴的方向观察时，该外壳具有内直径和外直径。从内直径到外直径径向地并且沿整个圆环的圆周延伸的所述环形端面区定义了表面区域。该金属芯轴向延伸，定义了圆环的高度。该缠绕芯然后被加工为带有通常径向指向的槽以形成定子。槽的深度在轴向延伸仅部分地通过圆环的高度。槽减小了金属芯的整个端面区域。图1示出了定子10的正面视图，示出了该定子的内直径(d)和外直径(D)。如图所示，有外部宽度(w)的定子槽12被加工到金属芯中以形成定子。槽去除后留下的环行区部分为总区域(TA)，对于在其中所述低耗高频材料是非晶金属的实施例而言，又称作非晶金属区域(AMA)。因为该槽从内直径d延伸到外直径D，所以圆环的开槽部分中所述定子的芯的内直径d并不连续。在槽空间被去除之后，延伸到槽深度的芯环状区的剩余部分称作齿14。齿和槽的数量相等。

根据一个为给定的电气设备设计而预选的缠绕方案，槽12被缠绕导电定子绕组(图1中未示出)。一个优选地绕组方案要求每个齿14一个绕组。每个绕组通常包括多匝导线。根据本发明的方法，这样的结构提供了获取最大利益所需的最少量的定子失准。然而，本技术领域中已知的任何绕组安排都是可用的。

适于本发明的实际应用的定子结构也由2004年1月30日提交的共同转让的美国申请序列号10/769,094所提供，该申请在这里整体被引入作为参考。

图2示出了一个被安置在电气设备的两个或多个定子之间用于旋转的轴向型转子结构的正面视图。所述转子和定子基本上同轴。在优选实施例中，转子20包括多个具有交替极性且绕转子被沿圆周放置与隔开的磁体22。转子磁体的不同参数，诸如位置、角度、歪斜、形状等等，可以如本技术领域中已知的进行变化。然而，本发明的方法仍然可以应用于所得到的电气设备。

在一个优选实施例中，所述转子包括多个永久磁铁。在一些实施例中，转子磁铁沿着转子的厚度延伸，而在其它的实施例中不是这样的。优选地，转子布置是一个盘或轴向型转子，其包括沿圆周以定距离隔开的高能量乘积的永久磁铁、例如稀土过渡金属或稀土过渡金属-非金属磁体，诸如钐钴、铁稀土(NdFeB)或铁钴稀土磁体(NdFe，CoB)，每个磁体各具有定义北极和南极的相反端。转子20及其磁体22被支撑例如在轴上或任何其它合适的布置上绕着电动机轴旋转，使得沿着邻近所述两个或多个定子的预定路径可接入磁极。通常该轴由用于旋转机器的已知的任何合适类型的轴承来支撑。在转子上的磁体区域具有外直径和内直径。在一个优选实施例中，对于轴向气隙型转子，磁体22的外直径和内直径基本上与定子10的那些直径相同。如果磁体22的外直径大于定子10的外直径，那么转子的外部部分对性能没有可观的贡献。如果转子20的外直径小于定子10的外直径，则结果是电气设备性能的降低。在任何一种情况下，在该机器中存在一些硬磁材料或软磁材料，将增加成本和平衡块却无助于提高性能。在一些情况下，额外的材料甚至降低机器的性能。

每极每相槽数比

在本说明书中，一个极指的是非时变磁场，这里也指与改变的磁场，即其幅度与方向随时间和方位而变化的磁场交互作用的DC场。因此，在优选实施例中，安装在转子上的永久磁铁提供所述DC场，并且因此多个非时变磁极在这里被称作DC极。在其他实施例中，直流电磁体可以提供所述DC场。所述定子绕组的电磁体提供了所述改变的磁场、即随时间和方位变化的磁场。

电机的每极每相槽数(SPP)值通过将定子槽12的数量除以定子绕组的相数和DC极的数量来确定(SPP＝每极每相槽数)。在SPP值的计算中，一个极指的是与改变的磁场交互作用的DC场。槽指的是本机器的定子的交替齿之间的间隔。

本发明的技术可应用于具有任何SPP值的电气设备。有利地，本机器的设计提供了在选择最佳SPP比率上的相当的灵活性。在优选实施例中，永久磁铁22提供了DC场以及多个DC极。在其他实施例中，直流电磁体结构提供了DC场。定子绕组的电磁体提供了改变的磁场、即随时间和方位变化的磁场。

常规的机器常常被设计为具有1到3的SPP比率，以获得可接受的功能性和噪声级，并且用来提供由于更好的绕组分布而带来的更平滑的输出。然而，具有例如0.5的较低SPP比率的设计被试图用来减小端线匝的影响。端线匝是定子中连接槽之间的绕组的导线部分。尽管当然需要这样的连接，但端线匝并不有助于机器的转矩和功率输出。在这个意义上，它们是不期望的，因为它们增加了需要的导线的量并且给机器带来了欧姆损耗而未带来益处。因此，电动机设计者的一个目标是最小化端线匝并且给电动机提供以易管理的噪声和齿槽效应。另一方面，本电动机的优选实施允许减小的SPP比率，连同期望的低噪声和齿槽效应。通过在高的极和槽计数下运行，可以得到这样的好处。这些选择在以前的机器中是不可行的，因为换向频率中所需要的增加在不使用高级的低耗定子材料的情况下是不可接受的。

在一些应用中，有利的是，构造具有SPP分数值的电动机，因为这样的电动机可以采用安置在单个定子齿周围的预形成的线圈。在本机器的不同实施例中，SPP比率是整数比率，如0.25，0.33或0.5。1.0或者甚至大于1.0的SPP值也是可能的。优选地，SPP值的范围为约0.25到4.0。然而，本机器的更优选实施例被有益地设计为具有1或更小的SPP比率，且甚至更优选为0.5或更小。可能将多个槽接线到公共的磁性部分，从而提供大于0.5的SPP。这是定子槽的数量比转子极的数量更多的结果，从而导致分布的绕组。小于或等于0.5的SPP值表示没有分布的绕组。该行业的一个惯例是在定子中包含分布的绕组。通常地，采用分布的绕组所设计的现有技术机器具有多个槽/极，从而导致较低频率的运行。结果，在具有0.5或更小SPP且工作在低频的常规机器中，也将有低的极计数和高的难控制的齿槽效应。另一方面，在本机器中使用高级的磁性材料允许升高换向频率，致使可以保持低SPP值，同时仍然最小化齿槽效应而无需降低机器速度。然而，虽然本发明的方法可以应用到具有低于0.5(例如0.25)的SPP值的电气设备中，实际的考虑有时使这样的结构不那么想要，所述实际考虑包括在需要的更高换向频率处机器电抗的增加，来自于转子磁体的漏磁通的稍微增加，以及包容更小且众多的转子磁体所需要的机械支持。这对于电气设备的其他重要参数常常无益。

另一方面，增加SPP值有效地增加了机器的极距。例如，多个定子槽12可以被接线到一个公共磁性部分，这对应于大于0.5的每极每相槽数(SPP)值。虽然这种结构可以应用到本发明的实践中，但所期望的定子移动量提高了，在一些应用中这将是一个缺点。

尽管本机器可以被设计且作为单相设备或者在每个定子上具有任何相数量和相当数量绕组的多相设备来运行，但是具有三相绕组的三相机器根据行业惯例是优选的，并且提供对硬磁材料和软磁材料的有效利用，以及具有好的功率密度。具有0.5SPP比率的实施例特别适合三相应用。例如，在具有每极每相槽数(SPP)比率＝0.5的三相电机中，转子极的数量是定子槽数量的2/3，而槽数量是相数量的倍数。虽然该机器根据行业惯例通常被接线为三相Y形结构，但是也可以使用三角形结构。

使用低耗材料的高极计数、高频设计

在特定的实施例中，本发明也提供工作在高频即换向频率高于约400Hz的、具有高极计数的轴向气隙电气设备。在一些情况下，该设备可工作在约500Hz到3kHz或更高的范围内的换向频率上。设计者通常避免高极计数用于高速电动机，因为常规的定子芯材料、诸如硅铁不能工作在与高极计数所需的成比例地更高的频率上。特别地，已知的使用硅铁的设备不能在显著高于400Hz的磁频率处被切换，这是由于在该材料中的改变的磁通量所引起的铁心损耗。高于上述限度，则铁心损耗将引起材料发热到设备不能采用任何可接受的手段来冷却的程度。在某些情况下，硅铁材料的发热甚至可能严重到使机器无论如何不能被冷却，且将自毁。然而，已经确定了非晶、纳米晶和非晶粒取向金属的低耗特性允许比常规的硅铁材料更高的切换速率。尽管在一个优选的实施例中，非晶金属合金、诸如METGLAS2605SAL合金的选择排除了由于在高频工作时的发热所导致的系统限制，但转子设计和整个电动机结构也已经被提高来更好地利用非晶材料的属性。

使用更高的励磁频率的能力允许本机器被设计为具有更宽范围的可能极计数。在本设备中极数量是一个基于允许的机器尺寸(一个物理限制)与预期的性能范围的变量。受可允许的励磁频率的限制，极计数可以被增加直到磁通泄漏增加到一个不合需要的值，或者直到性能开始下降。还有一个由多个转子极上的定子构造给出的机械限制，因为定子槽必须与转子磁体一致。而且，还有与在定子中可做出的槽数量有关的机械与电磁限制，所述数量反过来为该机器的框架尺寸的函数。对于给定的具有合适的铜与软磁材料平衡的定子框架，一些边界可以被设定以确定槽数的上限，其可被用作在做出好的执行轴向隙机器中的参数。本发明给电动机提供了比用于大多机器的行业值多约4或5倍数量的极。

例如，对于一个具有6至8个极的行业典型电动机，对于速度约800至3600rpm的电动机，换向频率约100至400Hz。该换向频率(CF)为旋转速度乘以极对的数量，其中该极对为极数量除以2，并且旋转速度以转/秒为单位(CF＝rpm/60×极/2)。行业上也可获得具有16个或更多极、但速度低于1000rpm的设备，该设备仍对应于小于400Hz的频率。可替代地，也可获得具有相对低的极计数(例如小于6个极)且速度高达30000rpm的电动机，该电动机仍旧具有小于约400Hz的换向频率。在典型实施例中，本发明提供了具有96个极、1250rpm、在1000Hz处的机器；54个极、3600rpm、在1080Hz处的机器；4个极、30000rpm、在1000Hz处的机器；2个极、60000rpm、在1000Hz处的机器。本发明的高频电动机可以工作在比已知的采用常规的材料和设计制成的轴向气隙电动机高约4至5倍的频率处。本电动机当工作在同样的速度范围中时比行业内典型的电动机效率更高，并且因此提供更高速度的选择。本配置对于非常大的电动机的构造具有特别的吸引力。使用高极计数(例如至少32个极)和高换向频率(例如500至2000Hz的频率)的组合，则非常大的机器可以根据本发明以组合高能效、高功率密度、易于组装、且高效使用贵重的软磁与硬磁材料的方式加以制造。

热特性

在所有的、包含那些使用常规的硅铁合金和那些使用非晶、纳米晶、最优化硅铁合金、晶粒取向的铁基或非晶粒取向的铁基金属的电机中，限制设备的输出效率的特性之一是能量到废热的损耗。该废热有多种来源，但是主要是来自于绕组中的欧姆损耗、趋肤效应和邻近效应损耗、来自于磁铁和其他转子部件中的涡流的转子损耗，以及来自于定子铁芯的铁心损耗。由于生成大量的废热，常规的机器很快就达到它们能够清除废热的能力的极限。常规机器的“连续功率极限”常常由该机器能够连续工作而同时仍驱散产生的全部废热的最大速度所决定。连续功率限制是电流的函数。

在最佳可应用于本发明的实践中的高频、高极计数的电气设备中，生成较少的废热，因为非晶、纳米晶、最优化硅铁合金、晶粒取向的铁基或非晶粒取向的铁基材料具有比常规的硅铁更低的损耗。设计者可以利用这些材料的低耗特性来提高频率、速度和功率，然后正确地对低铁心损耗相对欧姆损耗进行平衡与“抵换”。总体而言，对于与常规机器相同的功率，最佳地应用于本发明中的高频、高极计数的电机表现出更低的损耗且更高的转矩和速度，并且可以因此获得比常规的机器更高的连续速度极限。

改良的效率

最佳地可应用于本发明的高频、高极计数的电气设备的一个优点是最大化该设备的效率而同时保持成本效益的能力。该效率被定义为该设备的有用功率输出除以功率输入。最佳地可用于本发明的高频高极计数的电气设备同时以高极计数工作在高换向频率处，从而产生一个具有低铁心损耗和高功率密度的更高效的设备。400Hz的高频限制是一个行业标准，超出该限制的实际应用，如果有的话，也很少。

最佳地可应用于本发明的高频高极计数的电气设备的性能和改良的效率并非简单地为用非晶金属替代常规的硅铁的一个固有特征。已经有多种设计被提出，但是它们遭遇了性能失败(包括过热和较低的功率输出)。这个失败被认为大部分是由于以那些为常规材料(平衡块上含3.5％或更少的硅的硅铁)设计且适合于常规材料的方式来应用新材料(例如非晶金属)和生产方法而引发的。过早的性能失败，结合电动机中处理非晶金属的可察成本，促使行业内的所有公司放弃该项研究。

最佳地可应用于本发明的高频高极计数的电气设备通过设计采用了非晶、纳米晶、最优化硅铁合金、晶粒取向的铁基或非晶粒取向的铁基材料特性的旋转电机克服了现有技术的性能失败。也提供了与各种改良材料的物理和机械特性可兼容的制造方法。这些设计和方法提供了拥有部分或全部的各种有利品质的机器，这些有利品质包括工作在高于400Hz的换向频率、具有高的极计数、具有高的效率、且具有高的功率密度。虽然其他的常规方法已经能够提供具有四个品质中的至多一个或两个的电动机，但在这里提供的实施例中的是高频高极计数的电机，该电机同时表现出四个品质的一些或者优选为全部。

在许多实施例中，本高频高极计数电机有益地表现出高效率损耗。对改进的主要贡献来自于显著减小的磁滞损耗。如本技术领域中已知的，磁滞损耗来自于在所有的软磁材料的磁化期间的不良畴壁运动。这样的损耗在常规使用的磁性材料如常规的晶粒取向的硅铁合金和非取向电动机和电工硅钢中通常高于优选地应用于本机器中的改良材料中的损耗。高损耗反过来可以促成铁芯的过热。作为效率提高的结果，最佳地可应用于本发明的高频高极计数的电气设备能够获取更大的连续速度范围。常规的电动机受限制，因为它们要么能够提供高速度范围(低功率)的低转矩，要么能够提供低速度范围的高转矩。最佳地可应用于本发明的高频高极计数的电气设备成功地给电气设备提供了高速度范围的高转矩。

定子的失准

本发明的一个方面提供了相对于一个或多个参考定子而选择性地控制电机的一个或多个可旋转定子的方法。使用“选择性调准”或“失准”指的是本机器的一个或多个可旋转定子的齿和槽相对于一个或多个参考定子的相应齿和槽的角位移或偏移，参考和可旋转的定子以及相关联的转子全都同轴放置。在一些实施例中，机器的所述一个或多个参考定子被放置在相对于该机器的外壳的一个固定位置上，所述外壳进而通常被紧固到该机器所连接到的机械系统的附加部件上。可替代地，参考和可旋转定子可以被做成相对于该外壳在角度上可旋转，从而实现想要的失准。在任何一个可替代方案中，失准要被理解为在定子间相对地加以测量，而不参考电动机框架或外壳。

本选择性调准方法特别地可应用到轴向气隙电动机和发电机上。所述电机的一个或多个可旋转定子的受控失准导致该电机的不同参数的调节。例如，所述定子配置可以被自适应地调整以保持基本恒定的电压特性，或用来减小或基本上消除转矩脉动。

在本发明的方法中，在轴向气隙机器中至少一个定子被有意引起相对于参考定子围绕它们的公共轴而轴向旋转，这产生旋转失准(即一个定子相对其他定子在方位角上“偏移”)。结果，所述有意失准的定子的场图的正弦波形(即正弦或近正弦)在转子的位置上并不同步(即并非处在最佳的、基本一致的电相位)。因为所生成的电动势是由定子所生成的正弦波形的叠加的函数，所以在叠加的所生成波形中的任何改变导致该电气设备中所生成的电动势特性上的改变。

尽管本发明的许多实施例示出了包括一个转子和两个定子的电气设备，本发明的方法可应用于包括任意数量的定子并可共享任何数量的转子的电气设备。例如，该机器可以包括公共轴上的两个转子，每个转子位于轴向相邻的定子之间，所述定子的齿朝向它们之间的转子的各自相对侧。在其中的一些实施例中，所述转子被连在公共轴上。

转子极距和定子槽距

在本发明的方法的各个实施例中，定子的想要的失准程度相对于所述转子的一个极距或者所述定子的槽距而被定义。槽距被定义为在相邻的定子电槽的中心之间的旋转距离。图1示出了具有18个电槽的定子的一个槽距。一个槽距通常以度数来度量，然而，弧度或本技术领域已知的其他需要的角的度量单位也可以被采用。

极距被定义为相邻的转子磁极的中心之间所测量的旋转距离。图2示出了一个包括12个转子磁体的转子的极距。虽然极距也通常以度为单位来表述，但弧度或本技术领域已知的其他需要的角的度量单位也可以被采用。

极距和定子节距可以被指定为机械或电的角度单位，如度。电角度是相对每个换向周的周期来度量，在该周期期间机器轴(在同步工作下)在两极机器中旋转一完全周转或在具有多于两个极的机器中旋转一部分。最为普通地，在其中转矩脉动和齿槽效应要被最小化的应用中的失准基于槽距用机械度来度量。在其中反电动势要受控的应用采用了基于极距的机械度来度量定子失准启动，但是对于想要的电响应采用电度(electrical degree)。基于直流母线脉动频率相对换向频率的正常6∶1的比率的一半，直流母线脉动最小化应用常常被指定为相对于极距的电角度。

在本发明的应用中，至少一个定子被指定为参考定子。那就是说，所述一个或多个可旋转定子的失准度相对于该参考定子来度量。在本发明的一些实施例中，一个或多个参考定子被保持固定，而一个或多个可旋转定子被允许相对于一个或多个参考定子旋转想要的量。该相对旋转的量可以从0度(最小值)到一个全极距(最大值)或者一个全槽距(最大值)，这取决于想要的失准度。也提供了一些实施例，在该实施例中所述一个或多个参考定子和一个或多个可旋转定子都移动以获取想要的旋转失准的量，即相对相位差。

本电动机器的一些实施例采用了多于两个定子和一个转子。在这样的机器中，至少一个定子被指定为参考定子，且其他的定子是可以共同调准、但偏移于参考定子的可旋转定子。更优选地，所述可旋转定子是独立可调准的。尽管在这样的实施例中一种调准装置将需要针对每个可调整定子的单独的致动系统，但是将保证附加的灵活性。例如，在一个二转子、四定子的实施例中，三个定子可以从所述参考定子偏移共同的优选量，以减小转矩齿槽效应。为了控制反电动势，可旋转定子可以被自适应地控制，以获取与需要的加速度响应相一致的最佳减小，正如在一个牵引电动机中或再生电动机应用中可能想要的。在一个其中直流母线电脉动要被最小化的机器中，附加的自由度允许选择失准图案，该失准图案导致来自各个定子的直流贡献之间的、比一个最优化的二定子、一转子实施方案中可能的更大的破坏性干扰。

保持恒定端电压

定子绕组的并联电连接是可能的，但是通常对于实施本发明不是优选的。一个波形例如波形30一般具有在时间的任何时刻上与其它波形32不同(更高或更低)的电压。因此，很有可能大量的电流将在并联连接中从一个定子流到另一个定子。这样的电流已知为环流。该电流的存在引起功率损耗和内热。环流不提供任何有用的转矩且在某些情况下可对电气设备有害。不过，根据本发明并不禁止定子绕组的并联连接。

在本发明的优选实施例中，两个或更多个定子的绕组串联地电连接，并且因此它们的电波形是算术相加的。如图3-9所示，在所述图中对应于两个定子绕组的波形30和32串联连接，在时间的任何时刻上所得到的电压(即波形34)为那个时刻上的两个各自波形的瞬时电压的和。如本技术领域中已知的，两个具有相同频率但不同相位的严格正弦曲线波形的叠加产生另一个同样频率的正弦曲线，但是在相位上从其组成波形移位。

一方面，本发明提供用于运行电机从而保持恒定的端电压的技术。依照一个包括两个安置在单个转子对面的定子的电气设备，示出这些技术的一个实现。图3至9的曲线示出了来自于失准不同偏移量的两个定子的波形叠加结果。在该示例中，一个定子采取固定形式(定子A)而另一个为可旋转形式(定子B)。在图3至9中的每个图中，来自定子A的波形被标示为30，而来自定子B的波形被标示为32。两个波形的叠加(相加)被标示为34。

在恒定电压工作期间，所生成的电动势随着速度的增加在对于0％极距失准的100％基本电压与对于100％极距失准的0％基本电压之间的范围变化。因此为方便起见，失准度依照一个或多个定子的极距来表示。失准度用全极距的一部分来表示，从无失准(图3)变化到一个全极距失准(图9)。失准的中间值产生了图4-8的分别对应于30、60、90、120、150和180°电的失准的波形。

图3示出了当存在最小的或无失准时对于每个定子基本上相同的波形30和32的叠加的典型例子。因为定子的相对旋转为零，两个定子相位都是100％。来自于两个定子中的每一个贡献的波形30和32基本上一致并且被构造地相加来产生波形34。该电机生成的电动势因此也是最大值，因为来自定子的波形构造地相加以产生同相同步的具有最大(约两倍的)振幅的正弦波形34，表明在转子位置上的定子贡献的最大通量。

当可旋转定子(定子B)相对于参考定子异相地旋转，来自于两个定子的波形的叠加加起来小于图3的最大值。在该电气设备的系统中，这表示转子位置上的来自两个定子的磁通量小于最大振幅。结果，总的生成电动势作为所述定子的失准度的一个函数而减小，这引起两个异相波形的叠加的不同值。例如，图7示出了为了将生成电动势减小到初始值的1/2，定子应该被失准一个极距相位差的2/3。这样当可旋转定子相对参考定子失准时合成同步的所生成的电动势在振幅上被减小到零，零振幅发生在可旋转定子失准一个全极距的时候(见图9)。

图3至9的波形被例示为纯正弦函数。各个周期性的波形如方波、梯形波、三角波等的叠加可以被建模为正弦波形。这样的波形例如通过频繁用在可变速度驱动应用中的类型的功率电子控制器来产生。虽然优选纯正弦波形，但近纯正弦波形也产生良好的结果。图10示出了来自于两个串联连接并且被失准1/2全极距的定子的两类梯形波形35、36的叠加结果。尽管如图所示本发明可以采用两个梯形波形来实施，但是所产生的三角波形37从最初的梯形波形变形了。使用近正弦波形实施本发明将以波形形状中的较小变形来产生对输出的振幅改变。使用近正弦波形通常允许更简单的功率电子设备结合本机器的优选实施例而被使用。

作为失准的结果，一个或多个旋转定子可以被称作为异相于所述参考定子。在上面的描述中，旋转失准量被定义为极距的一个函数。定子B的旋转度可以直接相关于所生成的电动势的减小。然而，该减小与所述旋转是正弦地相关而不是线性成比例。即使如此，极距与生成的电动势的减小之间的直接关系可以在包含串联连接的实施例中被建立。

理想地，采用尽可能小的旋转运动获得失准，而同时仍旧获得所生成的电动势中的想要的减小。通过最小化需要的旋转运动，用于处理旋转的设计与部件(例如轴承、啮合表面、旋转设备等等)可以被简化。

如上面所讨论的，在常规技术中找到的具有高极距值的低极计数机器一般不优选用于本发明的实践。利用高极距的机器，获得足够失准、甚至是所生成电动势中的小的减小所需要的物理旋转量有时太大而不能在机械上实现。用于低极计数机器的失准的旋转弧长可控地增大或变小。结果现有技术常常寻求采用其它的手段减小轴向气隙机器中的电动势，诸如通过减小气隙的长度(例如美国专利No.2,892,144和No.2,824,275)或通过减小转子和定子之间的重叠(美国专利No.403,017和No.6,555,941)。

然而，旋转失准的实现在具有高极计数的机器中容易得多，其固有地具有更小的极距。用于产生在所生成的电动势中的较大减小的旋转失准的弧长因此在高极计数高频机器中比在常规的机器中小得多。本方法有利地用于高频、高极计数、低极距的轴向气隙电气设备，所述电气设备使用包括前面所述的非晶和纳米晶金属以及最优化晶粒取向和非晶粒取向的铁基金属的高级的软磁材料。

本发明因此提供一种用于减小所生成的电动势而无需减小气隙的轴向长度或减小转子与定子之间的重叠的方法。然而，本旋转失准的方法可选地结合需要减小气隙或改变转子与定子之间的物理重叠的方法加以实施。

转矩脉动的减小

在一些实施例中，相对于本机器的一个或多个参考定子的一个或多个定子的选择性调准技术也可以被实施用来减小转矩脉动。

电机设计者优选地试图消除转矩变化来产生一个具有基本恒定转矩的平滑输出。期望地，机器以不随转子的角度位置变化的转矩运行。然而，在给定的电气设备中，不可避免地存在转子的某些位置，在该位置上磁路的导磁性高于其它位置。这些位置是用于转子的、在零电流和施加的电流条件下都具有增加的转矩的固有位置。在电动机器领域中，在转矩齿槽效应和转矩脉动之间常常做出区别。前者指的是在无电流输入或输出该机器时转矩随旋转位置的扰动或变化，而后者指的是工作期间，即在功率加载下的转矩变化。然而，脉动和齿槽效是物理上相关的现象，并且有时被认为是可互换的。转矩脉动受电气设备的设计与功率电子设备运行的双重影响。转矩齿槽效应主要取决于机器设计参数。然而，由于本发明主要与电气设备的设计有关，所以转矩齿槽效应和转矩脉动可以一起被考虑。

当磁体直接与定子的齿成直线时，转子中的磁体提供给定子最大的磁链。因此，在本机器中，通过改变该物理调准的位置，即通过相对参考定子旋转地失准一个定子，各个转子表现出它们最高的瞬时磁链的角度位置并不一致。例如，这些定子可以被失准使得一个定子在其他定子表现为其最小磁链的位置处经历最大的磁链。因此，合适地挑选选择性调准基本上减小了转矩脉动的振幅，虽然增加了该脉动的频率。

与速度无关，转矩脉动在0％槽距失准处它的最大值(100％)和50％槽距移动处它的最小值之间变化。因此，用于减小转矩脉动的失准度或偏移量可以根据槽距加以表示。用于最小化转矩脉动的失准的最佳旋转度是使可旋转定子相对于参考定子正好偏移1/2槽距。

图11和12示出了在零电流处、相对于在该定子被调准时(正弦波形72)产生的扰动而归一化的、对于失准1/2槽距(正弦波形70)的定子的转矩扰动。来自于转子磁体的磁通量被表示为正弦波形74。

虽然图11-12所示的示例是针对一个具有0.5SPP值的电气设备，但该方法同等很好地应用于具有其他SPP值的机器。可旋转定子相对参考定子失准1/2槽距的量，转矩脉动振幅通常减小1/2，而转矩脉动频率增加到2倍。转矩脉动的固有频率对于不同的SPP值变化。例如，对于一个具有0.5的SPP值的电气设备的转矩脉动具有6倍于电气设备的换向频率的特征固有频率。

如上所述，两个定子相对彼此的失准也引起所生成的电动势的减小。如果定子被失准1/2槽距，对于0.5的SPP值所生成的电动势的减小量约为3.5％。对于非参考定子大于1/2槽距旋转的旋转实际上引起转矩脉动再次增加，因为该槽变得更加地成一直线并且引起增加的磁链。在1/2槽距旋转的情况中，设计者对于转矩脉动减小50％接受功率减小3.5％。对于其他SPP比率的转矩脉动性状可以类似地被确定。

多转子机器中的转矩脉动的消除

在本发明的另一个方面，选择性调准的技术也可以应用来减小或优选地基本上消除转矩脉动和齿槽效应。在包括两个或多个转子的电气设备的实施例中，转子以及定子相对参考转子的最佳旋转失准可以引起转矩脉动的基本消除。

虽然包括一个转子的电气设备的实施例被用于示例，本发明的技术可以被实施为包括多于一个转子的实施例。对于包括两个转子的设计，该转子在公共轴上，每个转子可以由一个或多个各自的定子来驱动。在配置定子上也具有一些灵活性。例如，在2转子4定子的电气设备中，物理上彼此最靠近的定子可以被连结成一个公共定子，从而带来一个有效且高效的2转子3定子机器。

在这样一个实施例中，所述两个转子被安装在一个公共轴上。在一个常规设计中，该两个转子被如此安装，使得磁极沿圆周调准。然而，为了实施本发明的选择性调准技术以消除转矩脉动，所述两个转子被失准，使得一个转子相对于另一个转子旋转1/2槽距，而它们各自的定子也被失准来匹配转子。结果，转矩扰动为异相180度，并且彼此有效抵销。

选择性调准转子以及定子的技术不可能消除较高次的谐波变化对于转矩脉动的贡献。事实上，一些这样的高次谐波可以通过失准被构造地增强。然而，这些高次谐波通常比一次谐波具有更小的幅度，因此在电气设备的大多应用中可以被忽略。也有以下可能性，即转矩脉动波形不是严格的正弦波形，而这也引起包含一些变形的叠加。

使用双全波整流器来减小电脉动

脉动还在电动机器领域中用来指机器的电特性的某些交流方面。整流器装置如全波整流器被用于许多现有技术的发电设备中，且特别是交流发电机，以从绕组中取得多相交流输出并且将它转换为相对平滑的直流输出。对于三相应用，此整流通过常规上熟知为“全波电桥”或“二极管电桥”的六个二极管的排列来实现。对于具有除三相连接之外的单相和多相系统，也已知有其他的二极管电桥排列。该电桥的输入为绕组中生成的正弦电压/电流，输出为一个直流电平，称作直流母线。图24示出了单相、0.5(任意单位)振幅的正弦交流输出连同在直流母线上的相应全波整流单相交流输出与组合的三相输出的单个图。尽管在该直流母线上的电压通常被说成是常数(即，Vdc＝Vrmsline*(～1.35))，但实际上直流母线波形为一个平均、但严格恒定的直流电平与一个较小的交流成分的叠加。在全波二极管电桥配置中标称直流母线电压的典型变化如图24所示。所述交流成分，即来自于母线上的平均直流电平的变化，被称作电脉动。电脉动通常被表示为从平均直流电平的百分比(误差)。对于理想的3相全波电桥，该脉动发生在6倍于任何原始正弦相位电压的频率的频率处。

电脉动由于很多原因而是不希望的。这些原因是已知的，包括在汽车应用中较差的电池充电特性、在所有的设备中增加的谐波损耗、难于转换直流电平为无误差正弦波电压等等。因此希望减小和优选地消除直流母线上的电脉动。

用来减小直流母线上的脉动的常规方法已经被用来提供一个或多个与直流负载并联连接的电容器。这些电容器用来减小脉动量到一个可接受的水平。然而，电容器较贵且尺寸较大，尤其是较大的电容器。因此，电容器对电机增加了成本并且难于安置在机器中，尤其是当尺寸变为一种考虑时。在一些情况中，电容器也呈现出可靠性问题。图25示意地示出在典型的现有技术的电机中的这样一个被跨直流负载连接的电容器。增加该电容器已知用于滤波，因为将不想要的脉动从纯直流电平中除去，即滤除。图26示出了由图25的安排中所产生的典型现有技术的整流三相电压。在直流母线上可见少量的脉动。图27更详细地示出了此脉动。图28示出了与例如图25所示的电机安排典型相关联的具有叠加的脉动的平均直流功率。

现在参照图29，示出了一个具有三相型的双全波二极管电桥和带有三相绕组的双定子的电机。电桥之一与每个相应的定子相关联并且被连接到该定子的绕组上。通过对比，在典型的现有技术安排中，定子输出在被连接到单个全波电桥之前被组合。图29中示出的所述双全波二极管电桥安排对于双定子特别有用，该双定子被选择性地调准(或“失准”)，使得定子被如上所述地彼此相对旋转偏移。在一个实施例中，一个定子相对于另一个物理地旋转成为30°电偏移的选择的调准。来自于这些双二极管电桥整流器的输出被并联连接。在接合的直流母线上生成的脉动具有来自于一个电桥的峰值，作为如上所述的30°偏移的结果，该峰值偏移于来自另一个电桥的波谷。由于脉动的有缺陷的正弦波特性，脉动的减小将不为零。然而，新的合成脉动具有标称的1/4振幅与两倍频率的波形。那就是说，合成信号中的峰峰间隔为组成波形的峰峰间隔的1/2。对于理想情况，新的直流脉动的振幅将近似为现有技术脉动振幅的1/4，并且现在将出现在现有技术的脉动频率的2倍处。而且，如图32所示，使用了双全波二极管电桥和较小电容器的电机安排的平均直流功率与所示出的仅具有一个全波二极管电桥)的现有技术安排的大致相同(即对于示出的特定仿真为11KW。尽管双全波二极管电桥安排、例如图29所示的安排增加了一个额外的二极管电桥的成本，但是它通过更小电容器的减小成本和该更小电容器所需的较小空间的方式提供了实质上的节省。此外，每个二极管电桥和其中的个体二极管所携带的电流仅为用于有同样额定功率的机器的常规单电桥所携带的电流的一半，这允许使用不那么昂贵的二极管。

作为增加的脉动频率和减小的脉动振幅的附加结果，小得多的电容足够将脉动减小到一个可接受的水平。如图29所示，可以使用约为以前所需电容的1/8小的电容，然而在所述直流母线上的脉动约与如图30和31所示的具有一个较大电容器和仅一个全波二极管电桥安排的典型现有技术设备的脉动一样。

如上面所讨论的，在明显隔开的定子的调准中的物理变化引起该电机所产生的、得到的电动势中的变化。事实上，已经发现隔开的定子(即第一定子和第二定子)的选择性调准可以减小不想要的直流脉动。特别地，替代被直接调准，所述第一定子和第二定子被选择性调准，致使离开直接调准1/12的基本频率(即同步频率)。在物理术语中，这可以被说成是磁极对角度的1/12(即极距的1/6)。其基本原理是对于大多数普通的应用(即用一个全波二极管电桥工作的三相机器)，在所述直流母线上的脉动频率(即二极管电桥的输出)为三相机器同步频率的6倍。换句话说，在脉动频率上的峰值之间的时间间隔为同步频率的峰值之间的时间间隔的1/6。这样，为了尽可能多地消除该脉动频率，选择性调准的定子必须被旋转1/2的脉动时间间隔，或1/12的同步时间间隔。

上面描述的对于双全波整流器的选择性调准定子的安排的一个附加优点在于，跨直流负载使用的电容器的尺寸和成本与脉动的振幅以及脉动的频率的倒数直接相关。因此，本发明与现有技术方案中的电容器相比具有减小可跨直流负载使用的电容器的尺寸和成本的优势。典型地，一个尺寸为现有技术安排下要求的电容器尺寸的1/8的电容器便完全是所需要的。在一些应用中，脉动甚至可以足够小以致于不需要任何电容。

用于定子的旋转失准的机械装置

本机器可以实施为定子以固定或可调整的相对偏移度放置。在具有可调整偏移的实施例中，任何适合类型的失准装置允许在最小和最大的偏移量之间调整。优选地，该偏移在每个定子的相应齿和槽基本完全调准与失准多达半个槽距或全极距之间可调整。具有手工或自动地自适应调整的实施例在本发明的范围之内。

多种失准装置是适合的，包括那些用于下面讨论的各具有不同输入参数的三种不同类型的系统。第一种系统包含通过经由外部源来控制可旋转定子的运动的、电动势的有效控制。第二种系统包含经由一个速度相关的机制的控制。第三种系统包含经由一个转矩相关的机制的控制。所描述的三种系统中的任何一个或其它的类似系统可以被单独或以任意组合的方式实施在给定的电气设备中。虽然这些系统被描述为与减小所生成的电动势有关，本技术领域的一个普通技术人员可以根据上述讲授采用任何一个上述系统来减小或基本上消除转矩脉动。

外部控制

相对于一个或多个参考定子的受控的选择性调准技术可以通过使用一个用于控制所生成电动势的值的外部控制源来实现。在优选实施例中，该外部控制源具有一个独立于被控电气设备的功率源。通过选择可旋转定子的合适位置，可以获得想要的电动势。本领域中存在用于完成该适当定位的许多不同的装置。

在一些实施例中，定子失准是通过两个或多个分立的失准步骤而可调整的，其中的一个步骤可以是基本完全对准。其它的实施例尝试从最小偏移到最大偏移的范围内的连续可变的失准。该失准可以通过任何适当的机械运动源、包括风动的、水利的、压电的、电动的或磁致动器等来致动。

失准装置包括适当的定位装置，该定位装置可以并非专用地包括两位置螺线管、音圈电动机、压电致动器、具有齿轮、导螺杆等的步进或其它电动机、真空缸、气压缸、液压缸以及线性电动机中的任何一个或多个。所述的具有导螺杆的步进电动机由于其可靠性、机械稳定性和易于实现及精确控制而被优选。此外，可以提供可弹性形变的返回构件如弹簧。可替代地，一些或全部的失准可以被手工促动。

图13示出了包括单个转子40和两个定子42、44的电气设备的实施例的俯视图和侧视图。一个定子被当作固定参考定子44，而另一个定子为可旋转定子42。定子调准控制46与参考定子44相连。外部控制系统48提供了用于将可旋转定子42从零失准位置旋转到想要的失准度的装置。图14和15示出了用于控制可旋转定子42的失准的外部控制系统48的两个不同的位置。外部控制系统48的位置将与用于产生例如生成电动势中想要减小的、想要的失准度相关。

在一个实施例中，螺线管与所述旋转定子相连。该螺线管定位旋转定子以获得想要的生成电动势。一个控制信号根据对生成电动势的要求而到达。该螺线管根据要求将可旋转定子定位在两个旋转位置中的一个位置。

也有可能并且特别优选地使用电动机和导螺杆组合部件来定位定子。这提供了比简单的两位置螺线管更多数量的位置。也有可能采用电动的、风动的、水利的、压电的、或其它机械定位装置的任何组合形式来定位旋转定子。在结合了任何一个上述装置的机器中，一个或多个配重(未示出)可选地被提供用来补偿由定位组合部件的质量所引起的定子的任何成问题的不平衡。

速度相关的控制

一个包含旋转失准的速度相关的控制的实施例一般不需要来自机器电动势的反馈。相反，生成电动势被设计在可以通过一个速度相关的设备来控制的范围内。速度相关设备是一个随着速度的增加引起可旋转定子从基位置(一般近似零失准)移动到设计的失准度的设备。所述一个或多个可旋转定子的失准旋转速率根据所生成的电动势的想要的减小速率来规定。失准是可逆的。也就是说，随着速度的下降，一个或多个可旋转定子的失准也下降，返回降到在规定的最小速度(可能为零)时的零失准的基位置。

一个结合了速度相关控制的机器的实施例如图16至18所示，所述的图示出了在一个包括单个转子40和两个定子42、44的电气设备的实施例中的、用于旋转失准的机械调节器型速度相关控制的运行。离心部件55包括与被安装到旋转轴52的凸缘相连的平衡块(weight)50。平衡块50随着速度的增加也被允许(从旋转中心)摆动到较大的工作半径距离。离心部件也包括一个弹性系统，使平衡块50以很低的速度返回到缩回的工作半径距离。在图16到18的示例中，平衡块50也具有与一个杯形座(cup)54相合的圆形的三角凸轮。

在运行期间随着速度的增加，离心力不断增加地提供力来克服作用在平衡块50上的弹力，并且促使它们摆到不断增加的径向距离(图18)。结果，圆形的三角凸轮使杯形座54移动到图示中的右侧，即压向固定定子44。杯形座54对一个推力轴承56施加压力，该推力轴承56与一个连接到可旋转定子42的低螺距螺杆58相连。杯形座的压低最终引起可旋转定子42相对固定的定子44的旋转失准。低螺距螺杆58在其内直径上在直齿条上移动。低螺距螺杆58被阻止转动，因为它被轴向平行的内齿条所夹持。当低螺距螺杆58轴向移动时，它反过来将可旋转定子42旋转到想要的角度位置。这些直齿条最终通过各支持辐条而连接到参考定子44上。在低速且因此低离心力的情况下，平衡块被弹力拉回到它们最小的工作径向距离，如图16和17所示。结果，杯形座54和低螺距螺杆58移动到图中的左侧。

由于低螺距螺杆58被阻止转动自己，所以它迫使可旋转定子42旋转。为了实现该操作，可旋转定子42需要一个能够有小旋转度的轴承系统。旋转系统的精确设计包括为给定的机器系统选择诸如螺距、螺杆长度、平衡块质量、平衡块长度、凸轮和杯形座设计等属性，所述精确设计被优化以提供电动势上的想要的变化。所有的这些参数可以作为极距旋转度的函数被选择或最优化。

转距相关的控制

包含旋转失准的转距相关的控制的实施例可以提供仅转矩或速度转矩控制。

一个包含生成电动势的仅转矩控制的实施例根据的原理是在恒定速度下随着电流的增加，功率也增加。由于功率＝速度×转矩，因此对于恒定速度，随着功率的增加，则转矩必须也增加。如果可旋转定子被安装在可变点上，那么它可以从转子向着到转矩的方向旋转。该旋转改变了生成电动势，并因此改变对于电流的需求。在本发明的该实施例中，旋转偏差量为电流需求的一个函数。

一个包含速度-转矩相关控制的实施例是随着电气设备的功率输出的增加，转子轴的速度也增加。速度的增加率不应与功率的增加率一样大。因为功率＝速度×转矩，该机器上的转矩必须也增加。增加的转矩用于定位旋转定子，且因此控制生成电动势。

不管是否电气设备被允许改变速度，可旋转定子42可以通过一个或多个可变点被连接到参考定子。在如图19到22所示的定子调准控制46上的可变点处，有一种安装在可变点与可旋转定子42之间的弹性材料或装置。在图19到22中为了易于示范而示出仅仅一个可变点和仅仅一个定子调准控制46。然而，在不同的实施例中，可以有多于一个的定子调准控制46或可变点。

在图19和20的实施例中，可旋转定子42被安装在一个或多个弹性形变的构件如弹簧47上。弹簧47允许可旋转定子42利用变化的转矩移动经过有限的旋转角度。该弹簧优选为压缩弹簧。然而，其它的易于应用的选择包括拉伸弹簧、线圈、叶片等等。弹簧47上的一个变型可以是橡胶或其它的有机装配。

在图21和22的实施例中，可旋转定子42被安装在保形材料49上。保形材料49优选地为氨基甲酸乙酯的某一形式。然而，其它的对于保形材料的选择包括但不局限于橡胶、乳胶、硅树脂、充油式冲击(oil filledshock)、气压等等。

机器系统与功率电子控制

在又一个方面，提供了一种电动机器系统，该系统包括一个轴向气隙电机和用于接口及控制该机器的功率电子装置。该系统可以用作电动机或发电机或它们的组合。电动机器必须或者被直接供给交流功率或者被供给由直流功率换向得到的交流功率。尽管通过刷式机器的机械换向长期以来已经被使用，但是高功率半导体设备的可用性已经使得能够设计无刷式电子换向装置，用于许多现代的永磁电动机中。在发电模式下，机器(除非机械地换向的)固有地产生交流电。大部分的机器被说成是同步运行，这指的是交流输入或输出功率具有一个与旋转频率和极数量相当的频率。直接连接到一个电力网(例如电气事业通常使用的50或60Hz的输电线路网或船和航空系统通常使用的400Hz输电线路网)的同步电动机，因此运行在特定的速度上，仅通过改变极计数而可获得变化。对于同步发电，原动机的旋转频率必须被控制来提供稳定频率。在一些情况下，原动机固有地产生一个太高或太低而不能被电动机适应的旋转频率，所述电动机具有对于已知的机器设计的实际限度内的极计数。在这样的情况中，旋转机器不能被直接连接到一个机械轴上，因此经常必须采用一个齿轮箱，尽管伴随有增加的复杂性和效率的损失。例如，风轮机旋转很慢以致于在常规的电动机中需要格外大的极计数。另一方面，为了得到合适的具有想要的机械效率的运行，典型的燃气轮机旋转很快以致于即使具有很低的极计数，所生成的频率也是不可接受地高。电动驱动和发电应用的交替是有功功率转换。包括用于反电动势控制的失准装置的本电机的实施例有利地采用有功功率转换，尤其是在包含宽速度范围和/或不同功率需求的应用中。

如这里所用到的，术语“功率电子设备”指的是适合将作为直流(DC)或特定频率和波形的交流(AC)供给的电功率转换为直流或交流的电功率输出的电子电路，输出和输入的区别在于电压、频率和波形的至少一个上。该转换通过一个功率电子转换电路实现。除了使用保持频率的普通变压器的简单交流功率的变压、以及用来提供直流的交流的简单电桥整流外，现代的功率转换通常采用非线性半导体装置和其他的提供有效控制的相关联部件。

如上文中所更为详细讨论的，根据本发明构造的机器可以作为电动机或发电机在一个比常规设备更宽范围的旋转速度上工作。在许多情况下，迄今在电动机和发电机应用中需要的齿轮箱可以被除去。然而，所得到的好处也要求使用在一个比常规机器采用的更宽范围的电频率上可工作的功率电子设备。

对于电动机器系统的电动驱动的应用，该机器与一个电源如电力网、电化电池、燃料电池、太阳能电池，或任何其他合适的电能的源相连接。任何需要类型的机械负载可以被连接到机器轴上。在发电模式下，机器轴被机械连接到一个原动机上并且该系统被连接到一个电负载上，该负载可以包括任何形式的电器或电能存储。该机器系统也可以被用作再生电动机系统，例如用作连接到车辆的驱动轮的系统，其交替地为车辆提供机械推进力并且将该车辆的动能转换回电能存储在电池中以实现刹车。

有用于本轴向气隙机器系统的功率电子装置通常必须包括具有足够动态范围的有效控制来适应预期的机械和电子负载上的变化，同时保持令人满意的机电运行、调节与控制。可以采用任何形式的功率转换拓扑，包括采用升压、反作用(buck)和逆向变换器以及脉宽调制的开关调节器。优选地，电压和电流可以独立地进行相位控制，并且功率电子的控制可以在具有或不具有直接轴位置感测的情况下工作。此外，优选提供四象限控制，允许机器在电动或发电模式下顺时针方向或逆时针方向旋转工作。优选地包括电流回路和速度回路控制电路，由此转矩模式和速度模式控制都可被采用。为了稳定运行，功率电子装置必须优选地具有至少约10倍于预期的换向频率的控制回路频率范围。对于本系统，高达约2kHz换向频率处的旋转机器的运行因此要求至少约20kHz的控制回路频率范围。用于电动运行中的控制器典型地采用IGBT半导体开关元件。这些设备表现出随频率的开关损耗的增加，致使通常优选工作在至多约1000Hz的换向频率上。电动机系统因此有利地被设计为具有范围从约600Hz到1000Hz的换向频率，这允许使用不贵的IGBT同时保留由于用低耗材料所得的较高工作频率产生的好处。对于发电应用，合适的整流器电桥允许工作在甚至更高的换向频率上。

在一些优选实施例中，机器包括通过外部施加的电信号来致动的失准装置并且所述功率电子装置还包括用来提供合适的信号以致动该失准装置的电路。有利地，使用失准装置来控制反电动势便允许减少功率电子装置的复杂性和额定电功率，由此简化了功率电子装置的制造且降低了成本。特别地，失准在高速运行的周期期间可以被选择性地引入来限制必须由功率电子装置操作的电压。优选地，该失准是通过使用从功率装置传输到失准装置的信号来控制的。也可优选地，该偏移量的调整是自适应的。那就是说，被调整的量与机器速度相当。例如，该增加可以与速度成比例。

下面提供的例子更完全地描述了本发明。被提出来解释本发明的原理和实现的特定技术、条件、材料、比例以及报告的数据是示例性的并且不应被解释为对本发明的范围的限制。

例子

可变速度发电机

在一个发电机中，转矩总是处于恒定的方向，即阻止原动机旋转的方向。原动机是任何用来驱动发电机的设备，例如是汽油机或柴油机、涡轮机、水轮机，或类似的旋转机械能的源。低速时，原动机典型地具有低功率，并且发电机的发电能力也因此较低。原动机一般在较高的速度下产生更大的功率，并且因此发电机应该被设计用于在高速度下产生更大的功率。

理想地，在所有速度下发电机输出都应该匹配于原动机的输出。功率半导体的改进允许功率电子变换器在一个频率范围内接收大量的功率并且有效地且节省成本地传递直流的输出功率或作为另一个频率的合成波形的输出功率。因此，设计者可以最优化他们的设计来适应工作在更高的或可变的速度下的原动机，而不是被限制于以受要求的输出频率束缚的恒定速度旋转的源，或者不得不包括一个速度匹配设备如齿轮箱。

也希望在所有的速度下，输出电压是恒定的。这些特性允许更简单且不太贵的功率电子控制策略。因此，对于可变速度和可变功率的情况，最期望的情况是只有输出电流应该变化或最低限度地变化。

如果可旋转定子被安装在可变点上，则该旋转定子被允许移动作为所施加转矩的函数的一个有限量。当可旋转定子停顿在零失准的位置上时，这产生了最大的生成电动势。

优选的原动机速度分布图是对高功率以高速度和对低功率以低速度来运行该原动机。

低速时功率低且电流也低。转矩是生成的输出功率除以速度的函数，因此转矩也低。因此，典型地增加原动机速度来产生更大的功率和电流以及转矩。增加的转矩引起旋转定子或多或少地移动，其程度由弹力确定。独自地，旋转定子引起生成电动势降低，但同时增加的速度也增加了生成电动势。这些至少部分的偏移增加与减小是由电机设计者仔细设计以产生想要的基本上恒定的输出电压的。仔细考虑所述弹力、最小失准时的生成电动势、具有旋转度的电动势的非线性减小、由于速度引起的生成电动势的线性增加、以及整体电路和所产生的相图允许本技术领域的普通技术人员来设计机器以产生想要的恒定电压输出。

也可能允许在定子上产生的转矩来提供移动定子的力。图23示出了根据本发明的该实施例在工作期间的发电机的参数图。随着发电机输出功率的增加，电流也增加。转子转矩随着功率输出和电流的增加也增加。作用在定子上的增加的转子转矩最后克服连接到可旋转定子的弹簧提供的张力，这引起可旋转定子旋转。可旋转定子的旋转引起生成电动势的下降，限制了电压。因此，在本发明的该实施例中，转子产生了转矩量，其直接作为流入两个定子中的线圈的电流的函数。本发明以这样的方式提供了一种提供近恒定电压的自调节机器。

尽管本发明如上地使用尤为充分的细节来进行描述，但是应当理解这样的细节不必严格地被坚持，而是附加的改变和修改可被向本领域的技术人员间接表明自己。例如，定子可以被偏移任何不同的角度来提供不同的结果。因此，旨在将这样的修改包含在本发明的范围之内，如下面附加的权利要求所定义的。

Claims (19)

1.一种轴向气隙电机，其包括：

(a)第一定子，所述第一定子具有安置在其上的第一组绕组；

(b)第二定子，所述第二定子具有安置在其上的第二组绕组，所述第二定子相对于第一定子被选择性调准，使得第二定子偏移于所述第一定子，和

(c)轴向布置在所述定子之间且被支撑用于绕轴旋转的转子，

并且其中所述定子包括具有薄层的环形铁芯，所述薄层由选自非晶和纳米晶金属以及最优化铁基合金组成的组的材料构成。

2.如权利要求1所述的轴向气隙电机，还包括：

(d)连接到所述第一组绕组的第一全波二极管电桥；和

(e)连接到所述第二组绕组的第二全波二极管电桥。

3.如权利要求1所述的轴向气隙电机，其中在所述第一定子和第二定子之间的偏移为所述轴向气隙电机的基本频率的1/12。

4.如权利要求1所述的轴向气隙电机，还包括用于调整定子偏移的失准装置。

5.如权利要求3所述的轴向气隙电机，其中所述偏移可调整一个偏移量，其范围为从基本上全对准到失准半个槽距和一个全极距之一的偏移量。

6.如权利要求3所述的轴向气隙电机，其中所述失准装置包括两位置螺线管、音圈电动机、压电致动器、具有一个齿轮或导螺杆的步进或其它电动机、真空缸、气压缸、液压缸以及线性电动机中的至少一个。

7.如权利要求5所述的轴向气隙电机，其中所述失准装置包括步进电动机和导螺杆。

8.如权利要求1所述的轴向气隙电机，其中所述薄层由非晶金属构成。

9.如权利要求1所述的轴向气隙电机，其中磁体由一稀土过渡金属合金构成。

11.如权利要求1所述的轴向气隙电机，其中所述每极每相槽数比率在从约0.25到1的范围内变化。

11.如权利要求10所述的轴向气隙电机，其中所述每极每相槽数比率为0.50。

12.如权利要求1所述的轴向气隙电机，具有至少16个极。

13.如权利要求1所述的轴向气隙电机，适于以从约500Hz到3kHz范围内变化的换向频率运转。

14.如权利要求1所述的轴向气隙电机，还包括用于接口和控制所述电机并且可操作地与其连接的功率电子装置。

15.一种用于运行轴向气隙机器的方法，包括：

(a)提供一轴向气隙电机，该电机包括：具有安置在其上的第一组绕组的第一定子；具有安置在其上的第二组绕组的第二定子；以及被布置用于绕轴旋转的转子，该转子被轴向布置在所述定子之间，且其中所述定子包括具有薄层的环形铁芯，所述薄层由选自非晶和纳米晶金属以及最优化铁基合金组成的组的材料构成；并且

(b)相对于所述第一定子选择性地调准所述第二定子，使得第二定子偏移于所述第一定子一个偏移量。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述偏移量被选择以减小该电机的转矩脉动。

17.如权利要求15所述的方法，其中所述电机还包括用于将所述定子的偏移调整一个从最小偏移到最大偏移范围内变化的量的失准装置，且该方法还包括使用所述失准装置来调整所述偏移量。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述偏移量被调整以保持基本恒定的电压特性。

19.如权利要求18所述的方法，还包括使用一个从功率电子装置传输到失准装置的信号来自适应地控制所述偏移量的调整。

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