TWI750183B - 具有經塗覆導體堆疊的定子總成 - Google Patents

Abstract

一定子包括多數經塗覆導體層。該塗層為絕緣且提供相鄰導體層之電絕緣。該等多數經塗覆導體層形成一定子芯，且該定子包括夾入該定子芯之磁鐵總成。該等導體層朝與該等磁鐵總成之一平面正交的一方向堆疊。該等導體層具有一矩形橫截面。

Description

具有經塗覆導體堆疊的定子總成

優先權

本申請案係依據2016年6月7日申請之美國暫時申請案第62/346,898號的一非暫時申請案。本申請案主張該申請案之優先權的利益。該暫時申請案因此在此加入作為參考。

領域

本揭示係大致有關於馬達，且更特別之揭示係有關於定子。

著作權聲明/許可

這專利文獻之揭露的多數部份會包含受到著作權保護之材料。著作權人對於當該專利文獻或該專利揭示中之任一者出現在專利商標局專利檔案或記錄中時由該專利文獻或該專利揭示中之任一者之複製沒有異議，但其他部份則保留所有著作權。該著作權聲明適用於以下所述及其附圖中之所有資料、及以下所述之任何軟體：Copyright® 2016,2017,Sapphire Motors，保留所有權利。

背景

電動馬達被用在範圍包括小家用電器及電子裝置至用於泵及工廠之大型馬達的裝置中。馬達係世界上最大電力消耗品之一，但以往不是非常沒效率就是非常昂貴。一馬達之能源效率表示有多少電能輸入被轉換成由該馬達輸出之功。在家中之小家用電器馬達以往具有比百分之50略佳之一效率。用於泵及工廠之大型馬達經常具有超過百分之90的效率，但非常昂貴。線性馬達使設備以高速移動且沿一軸致動，而旋轉馬達使一軸桿轉動且經常與齒輪連接以便用速度換取轉矩。

習知馬達使用捲繞鋼之電磁線來產生一定子。該電磁線通常是一薄塗覆絕緣體在一銅、鋁或其他金屬之導體上，並產生一可控制電磁。通常，該定子包括不同磁陣列。該等繞組可被機械地或數位地夾入以便對齊該磁陣列之磁場，其中該定子藉由計算磁通量之變化速率來產生一電動勢。

在一習知馬達中，該定子經常由多數繞組構成，且該等繞組被紙、瓷漆或如聚醯亞胺薄膜之某些塑膠絕緣，而該等紙、瓷漆或塑膠經常薄到可相對導體之可用體積具有最大電流承受能力。增加該絕緣之厚度來防止在繞組間之短路會減少在具有可供繞組使用之一固定體積的一極中可用之導體量，且增加該定子繞組之電阻。馬達效率隨著損失減少而增加，但該等馬達損失與該電流乘以該電阻之平方成正比地增加。因此，增加之繞組電阻減少馬達效率。此外，用於電磁線之習知介電體或線塗層係良 好熱絕緣體，這表示增加之塗層厚度可控制成增加在該線中之熱保留。線塗層之熱效能產生效能之衝突，其中增加該厚度可產生更高電壓，但會促成過熱。在習知設計中薄線絕緣係馬達故障之一主要原因，且過熱限制界定馬達系統效能範圍。

圖1顯示一習知馬達之一橫截面圖，且該習知馬達具有捲繞鋼積層之線圈。一馬達100之一例包括捲繞鋼積層120之四或六個線圈130(顯示六個線圈)，且該磁路代表用於線性或旋轉馬達的一標準配置。中心110係馬達100之一旋轉中心，且可為一桿或軸桿之位置。使用在該等永久磁鐵後方之背鐵來完成該磁路及在該電樞芯中之積層來增加在該間隙之磁場強度可改善效能，但具有固有重量、成本、渦電流及磁滯損失等不利因素。在轉子及定子中之比較小數目的磁極有助於產生高轉矩漣波。大量鋼增加磁場強度，但具有高渦電流及磁滯損失，同時使馬達100變重。

依據本發明之一實施例，係特地提供一種定子總成，其包含：一磁鐵總成，其具有在一第一平面中環繞一定子中心點呈一徑向圖案的多數磁鐵；及一定子芯，其與該磁鐵總成相鄰，該定子芯具有多數經塗覆導體層之一堆疊，其中該導體具有一矩形橫截面，且一絕緣塗層與該導體化學地結合。

100:馬達

110:中心

120:鋼積層

130,402,404:線圈

200,306,500,700,1100,1110,1120,1200,1400:總成

210:定子芯

222,224:磁鐵層

230,330,722,724,726,820,830,1010,1020,1410:導體

302,304:繞組

310,320:金屬線

312,322:絕緣體

314,324:間隙

332:矩形橫截面

340:塗層

410,710,1116,1126,1214,1224:中心

420,440,510,912,1128,1212,1222:輪輻

432,452:內連接

434,454:外連接

512:塗覆層

522,524:彎曲

530:電氣通路

540:開口

602,604,606,1310,1330:圖

620:扁平導體

630:上導體

640:下導體

732,922,942:內緣

734,924,944:外緣

810,840:導體堆疊

812,842:電流通路

814,824,834,844:渦電流

822,832:橫截面

910,930:導體層

932:分段輪輻；分段電流通路部份

934:實心電流通路部份

952:磁鐵移動

954:磁鐵範圍

1012,1022:連接

1112,1122,1210,1232:導體芯

1114,1124,1216,1234,1320,1342,1344:磁鐵陣列

1220:系統

1236,1430:殼體

1242,1244:連接器

1312,1332:強磁場

1314,1334:弱磁場

1420:海爾貝克陣列

1440:軸

圖式簡單說明

以下說明包括具有本發明實施例之實施方式之舉例顯示的圖的說明。應了解該等圖式是為了舉例且不是用來限制。在此所使用之一或多個「實施例」之表示應被理解為說明包含在本發明之至少一實施方式中的一特定特徵、結構及/或特性。因此，在此出現之如「在一個實施例中」或「在一實施例中」的用語說明本發明之各種實施例及實施方式，且不一定全部表示相同實施例。但是，它們亦不一定互相排斥。

圖1係一習知馬達之一橫截面圖，且該習知馬達具有捲繞鋼積層之線圈。

圖2係一定子總成之一實施例的圖，且該定子總成具有多數經塗覆導體層之一定子芯。

圖3A係一經塗覆圓線之一實施例的圖。

圖3B係一經塗覆正方形線之一實施例的圖。

圖3C係多數經塗覆導體層之一實施例的圖。

圖4A係一導體線圈之一實施例的圖。

圖4B係一導體線圈之另一實施例的圖。

圖5係具有摺疊及彎曲之一導體通路的一實施例的圖。

圖6A係具有三相之一導體片之一實施例的圖。

圖6B係該等三相之導體堆疊成一定子總成之一橫截面圖實施例的圖。

圖6C係該等三相之導體堆疊成一定子總成之一立體圖實施例的圖。

圖7係一三相定子之一總成的一實施例的圖。

圖8A係分開成多數段以減少電流迴路之一導體的一實施例的圖。

圖8B係在具有一分段電流通路之一導體中的一渦電流實施例的圖。

圖9A係具有一分段電流通路之一導體的一俯視圖實施例的圖。

圖9B係具有一部份分段電流通路之一導體的一俯視圖實施例的圖。

圖10A係具有在外圓周接合之多數層的一蜿蜒繞組實施例的圖。

圖10B係具有在內圓周接合之多數層的一蜿蜒繞組實施例的圖。

圖11A係在線圈總成之一扁平相上的一海爾貝克(Halback)陣列配置實施例的圖。

圖11B係一雙軸向海爾貝克陣列實施例的圖。

圖12A係具有在一蜿蜒通路中與一海爾貝克陣列相鄰之多數導體層的一馬達總成實施例的圖。

圖12B係具有多數導體層及一殼體之一馬達總成實施例的圖。

圖13A係一線性海爾貝克陣列之一靜磁有限元素模擬實施例的圖。

圖13B係一雙海爾貝克陣列之一靜磁有限元素模擬實施例的圖。

圖14係一馬達總成之一實施例的圖。

以下某些細節及實施方式之說明包括可說明某些或全部以下所述實施例的圖式說明，且說明在此提出之本發明觀念的其他可能實施例或實施方式。

詳細說明

如在此所述，一定子總成包括多數經塗覆導體層。該塗層具絕緣性且提供相鄰導體層之電絕緣。該等多數經塗覆導體層形成一定子芯，且該定子包括夾入該定子芯之磁鐵總成。該等導體層具有一矩形橫截面。

與作為一定子導體之線繞組不同，該定子總成包括具有一可變或非固定橫截面之經塗覆導體。在一實施例中，該定子總成包括藍寶石塗覆鋁層。在該定子中之經塗覆導體層可配合在使電阻損失最小化與使渦電流損失最小化間之最佳取捨來產生高效能馬達。在一實施例中，該塗覆包括陽極氧化以產生具有極佳絕緣效能及極佳導熱性的藍寶石或氧化鋁之微結晶。更詳而言之，在鋁上的藍寶石之電絕緣及導熱性相對於典型塑膠、矽、樹脂或 其他習知線絕緣體較佳。該等較佳性質減少馬達燒毀或故障之可能性。在一實施例中，該加工使導體圖案化以減少渦電流損失。在一實施例中，該加工使導體圖案化以改善填充因子而增加傳導性。在一實施例中，該圖案化可改善填充因子及減少渦電流。

在一馬達中之定子總成可提供具有高效率之馬達及電動裝置，該等馬達及電動裝置堅固且容許超出標稱額定值之過負載。例如，在一實施例中，一馬達可暫時地操作超出正常額定值以獲得功率之暫時突波。例如，利用與該經塗覆導體之適當導熱性及電絕緣，可達到等於或大於大約百分之200之功率的暫時突波。通常該等額定值表示持續或長時間操作的極限。但利用導熱性及電絕緣，暫時突波不會造成該馬達之故障。因此，馬達尺寸及速度可設計成具有效率，同時容許功率猝增。相較於因為即使短時間之功率會破壞一習知馬達而必須設計為該等額定值的習知設計，該設計容許使用一較小馬達。

線具有一固定橫截面。在一實施例中，該經塗覆導體由如藍寶石塗覆鋁之導體金屬的一化學反應產生，其中應了解的是藍寶石為氧化鋁。在一實施例中，該經塗覆導體由一化學沈積或其他製程產生以便在一導體上提供一奈米材料層，例如鑽石塗覆銅。該定子芯包括具有一高熱傳送塗層材料之一導體，其中該塗層具有使該金屬絕緣之一高介電常數。在一實施例中，該絕緣塗層包括一習知絕緣體、矽、或一似鑽石塗層。在一實施例中，具 有絕緣塗層之導體被圖案化以產生一線性馬達或一旋轉馬達之磁場，且提供更大效率、更大功率密度及可靠性。使用進步之製造技術可達成比在一鐵基心上具有繞組之習知馬達低的馬達成本。

該定子芯包括多數經塗覆導體層或一或多個經塗覆導體堆疊。在一實施例中，該等導體層之圖案化可將更多導體放在一更小體積中，而這可減少電阻損失。因此，該定子可包括呈三維形狀之多數層。多數薄經塗覆導體層減少該導體之橫截面積，而這相對具有一較大橫截面積之一導體減少渦電流損失。由於使用限制渦電流之絕緣線繞組，橫截面在習知馬達中通常不是一考慮事項。

即使利用自動製程，捲繞該等線在一鐵基馬達心上亦會產生一製造成本。該等經塗覆導體層可用機械設備(例如，模壓機)、雷射或其他精密加工切削、或其他製程來加工。利用該等製程，該等導體層可以一與習知馬達相當之成本製成，而不是會另外產生之高階成本。

圖2係具有多數經塗覆導體層之一定子芯的一定子總成實施例的圖。在一實施例中，總成200包括在磁鐵層222與224間之定子鐵心210。磁鐵層222與224包括多數永久磁鐵，其徑向地配置成一圖案以便將磁極放置成與該定子之旋轉移動正交。雖然在總成200中顯示二磁鐵層222與224，但應了解的是另一定子總成可包括具有一單一磁鐵層之二導體層。該磁鐵陣列可各包括一或多個磁鐵，且該等一或多個磁鐵各包含單一或多數磁極對。

在一實施例中，磁鐵層222與224包括一海爾貝克(Halbach)陣列。一海爾貝克陣列使磁鐵之方位交替而具有重疊磁場，且一組定向成可產生與該工作空氣間隙平行之磁場(「北-南」)，而另外之磁鐵產生與該空氣間隙垂直之磁場(「東-西」)。利用該配置，該等磁場增加在該第一陣列之一側上的磁通量且消除在另一側上之通量，因此在需要時可產生一較大磁場密度，且在不需要一軟磁返回路徑之情形下減少不利之磁場。該海爾貝克陣列可提供許多直線、圓柱形及軸向通量陣列之變化。任何海爾貝克陣列都可由與所述層狀經塗覆導體定子一起使用而獲得好處。

如圖所示，定子芯210包括互相上下堆疊在該等磁鐵層間之多層導體230。導體230包括一矩形橫截面，且具有一圖案而在該導體層內提供徑向環繞該定子之一電氣通路。在一實施例中，導體230被圖案化而與另一組導體層堆疊以增加在定子芯210內之導體密度。

在一習知馬達中，該定子經常由多數繞組構成，且該等繞組被紙、瓷漆或如聚醯亞胺薄膜之某些塑膠絕緣，而該等紙、瓷漆或塑膠經常薄到可相對該可用體積達到最大電流承受能力。藉由增加該絕緣之厚度來減少在具有可供繞組使用之一固定體積的一極中的可用導體量可增加防止在繞組間之短路所需的絕緣用體積。增加該絕緣所需體積增加該等定子繞組之電阻，且與該電流乘以該電阻之平方成正比地增加該等損失。因為用於電磁線之大 部分介電體係良好熱絕緣體，它亦會增加在該線中之熱保留而產生效能之衝突，其中增加該厚度可產生更高電壓，但促成過熱。在習知設計中該絕緣之厚度係馬達故障之一主要原因且過熱限制界定馬達系統效能範圍。

由於對鋁之極佳導電性，特別是在小馬達中，銅對於馬達繞組而言通常是較佳導體。線在以往被擠出成具有一固定橫截面且接著用一絕緣層塗覆並捲繞成線圈以提供一可切換磁場。所需馬達特性依據厚度、纏繞數及構態決定繞組選擇。通常，渦電流可藉由增加較小並聯束之數目來減少，但該方法對於體積效率或包裝密度不利。需要超過百分之六十之鋁橫截面積來提供與同等長度之銅的導電性。

許多一般使用之介電體是可燃的，且會在可能在過熱條件下之高溫燃燒，且由於這些塗層之熱絕緣性而變得更槽。較薄材料會機械地且電氣地失效。當產生熱之損失破壞在該等導體間之絕緣材料時發生馬達故障，且該絕緣材料可稱為絕緣、介電體或塗層。該絕緣之破壞產生減少磁場之一短路，使電源試圖用更大電流或電壓驅動該馬達。當更大電流流過該短路時，該導體進一步加熱該受影響區域或產生一機械故障。經歷該等短路之馬達必須拆開並重新捲繞，因此產生損壞設備、停機時間及修復成本之相關成本。在許多情形中，製造該等繞組之複雜性產生使大量生產變得不實際之高成本。

圖3A係一塗覆圓線之一實施例的圖。繞組 302包括被絕緣體312塗覆之金屬線310。導體增加一預定體積可增加磁場。由於繞組302，金屬310具有一圓形橫截面，且小心纏繞該導體可減少在各別導體束間之間隙314。

圖3B係一塗覆正方形線之一實施例的圖。繞組304包括被絕緣體322塗覆之金屬線320。由於繞組304，金屬320具有一正方形橫截面，且小心纏繞該導體可減少在各別導體束間之間隙324。

由於繞組302與繞組304，在該等導體間仍具有間隙。此外，絕緣體312與322可多薄有實際之限制。減少習知絕緣塗層之厚度對於塑膠或其他介電體是不實用的，因為它們提供機械隔離及電隔離。當馬達旋轉且升溫時，該磁力會朝相反方向產生一相等且相反之力，使該等線互相向內擠壓，且該絕緣提供該等線之機械隔離。許多塗層在它們升溫時變軟。因此，減少在繞組302與304中之絕緣的厚度會產生機械及電隔離問題。

圖3C係多數經塗覆導體層之一實施例的圖。可了解的是在定子總成306中之導體330的尺寸不一定呈現真實比例。在總成306內之元件的比例可與所示者互不相同。另外地或替代地，在總成306內之元件的比例不一定要分別與圖3A與3B之繞組302與304成比例。

總成306包括一導體330堆疊，且該等導體330包括塗層340。用薄塗層340形成一導體330堆疊，相較於在線間產生間隙之繞組，可將更多導體放入可用空間 中。許多一般使用之介電體是可燃的，且會在可能在過熱條件下之高溫燃燒，並由於這些塗層之熱絕緣性而變得更槽。使該等塗層更薄會增加機械及電氣故障之風險。但是，塗層340代表藉由接合材料及導體330產生的一塗層。在一實施例中，塗層340代表一與導體330之化學反應。

例如，考慮導體330係或包括可化學地反應以產生一陽極氧化塗層的一鋁。在一實施例中，塗層340係在該鋁導體上之藍寶石(氧化鋁)。相較於許多習知磁鐵線塗層，一化學反應或接合之塗層的機械強度更大，且介電絕緣特性更佳。在另一例子中，就熱傳導而言，鑽石塗覆銅比藍寶石在鋁上更佳，但將鑽石加工形成在銅上會需要控制石墨及污染物含量，因為該等污染物會使鑽石稍具導電性，這會降低它作為一電絕緣體之效能。純鑽石作為一絕緣體是理想的。由於較大強度、硬度及介電常數，明顯優於習知塗層及藍寶石塗覆鋁。但是，藍寶石及鑽石塗層會在施加成為薄層時破裂。藍寶石易碎且會在彎曲時破裂。鑽石塗層宜只有數微米厚，很容易斷裂。但是，應了解的是藍寶石塗層可藉由暴露於氧而復原，而鑽石塗層則否。利用藉由該電化學或陽極氧化程序控制該塗層厚度的能力，可依據在該等定子層或繞組中之所需或計畫電壓來控制塗層340的絕緣厚度。較薄線產生較小渦電流，但若在一所需破壞電壓下，在習知馬達設計中使用非常薄之線時該塗層厚度對導體面積之比例會變成一問題。該等導體 330堆疊可用較薄塗層340配置更多導體。

一般可了解的是該感應電磁場之強度與電流直接成正比，且功率與電流乘以該相對電動勢(EMF)電壓成正比。若具有這些正比關係，設計者可藉由控制導體330之幾何形狀或控制塗層340之厚度或控制兩者來調整馬達之效能。一設計者可控制導體330之厚度及形狀，及塗層340之種類及厚度。

導體330具有一矩形橫截面332。例如在繞組302與304中之金屬線的呈線形導體通常橫截面或直徑固定，且電阻取決於用以切換通常在馬達中使用之頻率的材料量。對相同導體而言，至少在鋁之情形中，較小橫截面具有比較大橫截面大之電阻損失。線尺寸通常選擇成讓在該繞組中之一所需圈數可依最小體積及包裝要求設定該電壓及電流。藉由利用可用空間或體積，可藉由使某些段作成比較大來降低總系統傳導損失。

在一實施例中，增加導體330之量可在可接受重量代價或材料成本之情形下減少總電阻。例如透過該等導體層之圖案化(未顯示在圖3C中)來增加導體330之量可增加機器效率且使該定子更堅固及堅硬。另外之導體亦可提供用以連接層及為例如可暫時超速傳動一馬達之暫時過熱提供更多材料作一散熱器之更多選擇。用一形成之導體填充可用體積的相同技術來減少渦電流損失及電阻損失可利用鋁、石墨烯、銅及其他金屬與非金屬導體來實施。

總成306未顯示可為一馬達總成之一部分的磁鐵。如上所述，該導體330堆疊可被夾在二磁鐵層之間(如在總成200中所示者)，或二導體330層可夾入一磁鐵層。習知馬達包括運用鋼或其他適當材料相對空氣增加之導磁率的多數矽鋼積層。該等矽鋼積層具有抵消增加之磁場強度的數個缺點。一犧牲係當馬達整流時該磁場來回切換時之磁滯損失。當該磁場來回切換時它們會飽和，因此限制可產生之最大磁場。此外，習知積層增加重量且佔據可供另外之導體使用之體積。

在一實施例中，總成306之導體堆疊可使用在一永久磁鐵軸向通量馬達中。使用永久磁鐵可省略該等鋼積層，這可釋出可用更多導體330取代之體積。增加導體330對總成306之量可增加磁阻，且用相同電流流動量產生另外之磁力。在一實施例中，設計成具有總成306之一馬達使用另外之磁極、另外之磁性材料、另外之導體、增加定子半徑或這些之任一組合。磁極數目、磁材料量或半徑增加可在一預定體積及重量下產生更大功率及轉矩。應了解的是該等增加會需要相對較少材料之切換速度，且會增加操作電壓及磁極及材料。

因為馬達及其他電磁機器通常是熱受限裝置，減少渦電流損失及減少電阻損失之一組合產生具有更大效率之馬達。在一實施例中，塗層340代表機械強度比導體330大之一材料。機械強度表示承受操作(旋轉及加熱)該馬達所產生之力的能力。在習知馬達設計中，該絕 緣之機械強度比該銅或鋁線弱，因此需要另外之結構來維持線放置在該馬達中。由力之牛頓定律可知，該等線及其絕緣體會在施加該等EMF時被推或拉以使該轉子旋轉或使一段如一連串脈衝地移動。該推與拉在該絕緣上產生比會產生馬達燒毀之力。在塗層340之機械強度比導體330大之一實施例中，該馬達之機械本質反轉，且該絕緣可為該定子提供結構。因此，不需要另外之結構，在一實施例中，定子總成306可變成一無框馬達之結構，或該機械系統本身。在一實施例中，交替之導體330層具有交替邊緣重疊，其中若一絕緣陽極氧化藍寶石塗層失效，則有一平坦表面接觸該邊緣而非另一邊緣。該交替可讓該馬達自動復原，因為當暴露於氧時，一陽極氧化藍寶石塗層將在一段時間後自然地復原。該等材料之重疊可減少當該等金屬層互相摩擦時因振動產生的問題。

當渦電流損失及電阻損失促使定子故障時，馬達功率受到熱限制。該等損失亦會因過多熱而翹曲、過熱或喪失潤滑、或其組合而導致機械故障。效率即使由百分之八十至百分之九十增加百分之十，由總功率消耗之觀點來看可能不明顯，但由總功率之百分之二十至百分之十，該改良效率可減少廢熱及所需冷卻百分之五十。因此，即使小效率改善亦可減少具有其本身之功率、尺寸及組件成本的冷卻要求。

圖4A至4B係一導體線圈之實施例的圖。圖4A之線圈402及圖4B之線圈404代表著眼於一導體層之 一電氣通路之圖案化的一觀點。在一實施例中，線圈402提供依據圖3C之總成306之導體330的一導體層例。在一實施例中，線圈404提供依據圖3C之總成306之導體330的一導體層例。線圈402顯示具有四段之一導體層例，且線圈404顯示具有六段之一導體層例。該導體層之各段可被視為由該導體層之中心至該導體層之外側再返回中心的一電氣通路之一部份，且包括用以由該內緣至該外緣傳導變化之一輪輻及用以由該外緣至該內緣傳導電荷之一輪輻。或者，該等部份可被視為由該導體層外側至該導體層內側再返回該外側之一電氣通路的一部份。

請參見線圈402，該線圈包括在該導體層之一平面內徑向地捲繞中心410的一電氣通路。線圈402包括延伸在一內連接432與一外連接434間之多個輪輻420。內連接432係在該導體層內靠近中心410。外連接434靠近該導體層之一外緣。如圖所示，線圈402包括在相鄰輪輻420間之交替外與內連接。該等交替連接提供該導體層之盤繞電氣通路。相較於一習知繞組之三維通路，該通路由一觀點可被視為一「二維」通路，而該三維通路相對於受限於一平面內之多個圈具有在所有三維中之多個圈。

類似於線圈402，請參見線圈404，該線圈包括在該導體層之一平面內徑向地捲繞中心410的一電氣通路。線圈404包括延伸在一內連接432與一外連接454間之多個輪輻440。內連接452係在該導體層內靠近中心 410。外連接454靠近該導體層之一外緣。如圖所示，線圈404包括在相鄰輪輻440間之交替外與內連接。該等交替連接提供該導體層之該盤繞電氣通路。相較於一習知繞組之三維通路，該通路由一觀點可被視為一「二維」通路，而該三維通路相對於受限於一平面內之多個圈具有在所有三維中之多個圈。

該等輪輻及連接之實體尺寸可依該導體層有多少部份或段而不同。應了解的是該等導體層不限於四或六部份，而是可包括任何數目之部份，即包括奇數部份。該等部份之形狀、尺寸及數目可取決於該馬達之實施方式。此外，雖然顯示線圈402及404為類似形狀之輪輻及連接，但亦可使用其他形狀。該等輪輻可較厚或較薄，且該等連接亦同。在一實施例中，輪輻420與440隨著該輪輻由中心410延伸遠離至該定子邊緣而逐漸加寬。改變該定子寬度可增加可被包裝在一定子總成內之導體量。在一實施例中，輪輻420或輪輻440或兩者具有由該內連接至該外連接之一致寬度。當該導體層具有一變化橫截面時可看到不同輪輻寬度。

通常，關於該等導體層，不論部份之數目或輪輻之尺寸及形狀為何，該等導體層均堆疊成一定子總成。不如前述般地纏繞一鋼芯，線圈402與404可徑向地纏繞中心410且串聯地或並聯地與相鄰層連接，以便在該定子總成中在層間提供更多導體之電氣通路。

舉例而言，考慮關於由一鋁導體層產生之線 圈404的說明。應了解的是該說明可應用於不同導體層及不同塗層。在一實施例中，線圈404係多數鋁層中之一層。在一實施例中，線圈404係由加工一片鋁產生。該加工鋁可製成被調整成徑向地纏繞之一矩形組件。在一實施例中，線圈404係藉由一或多次衝壓或切割該導體而產生。該等被加工導體被處理而產生具有一絕緣體塗層之一導電通道。在一實施例中，多數層被接合而產生一電感器，且接著被加工而產生該塗層。在一實施例中，產生並加工多數層以產生該塗層，且接著被接合在多數層中。該等電感器或線圈可形成一定子，這可增加導體之體積量，同時減少所需絕緣量及來自渦電流及體電阻之損失。

依據電磁機器之磁場的線性、旋轉或固定耦合的應用，可改變接合、切割及衝壓之順序以使一特定特性最佳化。將該等導體放置成串聯與並聯之不同構態及改變該等電流通路之尺寸、層數或複雜性可調整該機器至所需效能、效率、電壓及最大電流承載容量。在一實施例中，輪輻440及內與外連接452與454可透過藉由雷射、電漿、水刀、衝壓、或其他製程或其組合切割鋁來形成。在一實施例中，輪輻440可藉由切割半徑線或沿一圓之半徑延伸且一中心在中心410並延伸在內連接452與外連接454間的線來進一步加工。該切割亦可用雷射、水刀、衝壓、或其他製程或其組合來達成。以下說明之其他圖更清楚地顯示在該輪輻之電流通路中產生多段的該等半徑線。

將該等輪輻分成多數平行段可將該電流通 路限制於一方向，同時只因該絕緣層及移除材料產生之體積損失而減少在其他尺寸中之電流通路。由於該導體線圈之至少一部份的多數並聯電流通路，可藉由選擇提供最大電流承載容量同時減少渦電流及體電阻損失之一構態來調整效能。在一實施例中，具有並聯通路之該導體層的該部份被限制於靠近該導體層會通過該等磁性層之磁鐵的一部份。依據線圈404所示者，在一實施例中，該設計可藉由將多數層接合在該內圓周、該外圓周，或用交替接點連接具有所需厚度之該等層。當該等層重疊時使切口及邊緣之位置交錯可在該等導體層或板未固定及由於移動而產生磨耗時防止局部摩擦破壞及加熱。

在一實施例中，線圈404用亦被稱為藍寶石之氧化鋁形式的陽極氧化鋁取代在該定子上之習知絕緣，獲得多種好處。陽極氧化技術可將一鋁導體層之表面轉換成一氧化鋁或藍寶石，該氧化鋁或藍寶石係一堅硬、強固、可耐受化學攻擊、高度電絕緣且仍具有良好導熱特性之一塗層。因此，線圈404可用以產生具有關於相對於習知纏繞馬達改良之效率、耐用性、強度及容量等性質的一定子。

該陽極氧化產生藍寶石，其為具有孔、指部、間隙、裂縫及變化厚度之一微觀海綿狀材料且具有比習知線絕緣體好之介電或絕緣特性。此外，相較於聚醯亞胺、塑膠、瓷漆、紙及其他一般線塗層，藍寶石硬且堅韌得多並且具有好大約100倍之導熱率。藍寶石之介電常數 大於每毫米10千伏，或>10kV/mm。藍寶石之體積電阻率大於10¹⁴ohm*cm。因此，藍寶石之體積電阻率與矽大致相同，但相對具有一0.3W/mK之導熱率的一矽氧橡膠具有一30W/mK之導熱率。導熱率好100倍可改進熱傳送，因此減少使馬達過熱之風險。

利用現代製造技術，藍寶石塗覆鋁比較便宜，且在氧存在之情形下自然地氧化或復原以產生一自動修復機構。在一實施例中，該鋁可被陽極氧化以將該導電鋁之表面轉換成氧化鋁或藍寶石。藍寶石塗層堅硬、強固、可耐受化學攻擊、高度電絕緣且提供良好導熱特性。由藍寶石塗覆鋁堆疊構成之一線圈或定子可提供相較於習知馬達具有較高效率、耐用性、強度、及超速傳動能力之一馬達。

應了解的是在該導體已被陽極氧化而產生該藍寶石塗層後彎曲該導體會造成破裂。因此，在習知繞組中使用藍寶石塗覆線是不可能的。但是，藉由堆疊平面導體層，可減少該藍寶石塗層之破裂，或可減少由於該破裂產生之效應。例如，該破裂被限制於該等層欲被連接之一區域，且因此在該連接部份中之一短路對於該定子之效能具有極小或沒有有意義之影響。一薄氧化鋁塗層具有比鋁本身高之一熔點，使得使用一藍寶石塗覆鋁導體之一定子的一馬達難以燒毀。該介電體、絕緣體或塑膠升溫且失效而產生短路的習知故障減少或甚至消除，使依據在此所述之一馬達比習知馬達更堅固。

圖5係具有摺疊及彎曲之一導體通路實施例的圖。總成500提供依據線圈402或404之一實施例的一段堆疊經塗覆導體的一例子。總成500中所示之該段包括輪輻510。輪輻510代表導體之不同層512的一輪輻堆疊。各輪輻510為電流提供一電氣通路530。利用塗覆層512，各種電氣通路530可相對各層分開。該等層可分別並聯地或串聯地或其組合地連接以提供電流容量或不同電壓之不同組合。

開口540代表在二輪輻510間之一空間。在一實施例中，總成500包括可提供與一或多個其他導體層套疊之空間的開口540。在一實施例中，總成500包括彎曲522與524以便套疊多數導體層堆疊。在一實施例中，總成500與沒有彎曲之至少一導體層堆疊套疊。在一實施例中，總成500與亦具有多個彎曲之至少一導體層堆疊套疊。在套疊多數層堆疊之一實施例中，該彎曲改變一堆疊相較於另一堆疊之電氣通路長度。電子裝置可控制驅動不同通路之工作週期以應付不同堆疊之電氣通路長度的變化。

在一實施例中，總成500利用摺疊電氣通路530以提供該徑向電流通路且接著該返回通路，該徑向電流通路提供驅動該電磁電動勢之磁場。該摺疊表示由耦合在一起形成一完整徑向通路(例如，360度之摺疊通路)之依據總成500的各種元件產生的蜿蜒形狀。由該摺疊提供之形狀相對具有一完整圓通路之二線圈減少總通路長度。

圖6A係具有三相之一經塗覆導體片實施例的圖。圖602顯示設計成可實體地交織以產生低電壓及高渦電流的三相。在一實施例中，亦可稱為一扁平線圈之扁平導體620稱為相1。該相命名是任意的，且該系統可設計成不同套疊線圈具有不同相。

圖602顯示稱為相2之上導體630或一上線圈。圖602顯示稱為相3之下導體640或一下線圈。又，該等相之稱號是任意的，且只是為了說明而顯示。此外，上導體630稱為一「上」線圈且下導體640稱為一「下」線圈係依據圖602之一特定方位的一任意命名。在一實施例中，具有依據圖602之一三相定子的一馬達可安裝在與地面平行或與地面垂直，或相對地面呈任何任意角度之導體620、630與640的平面上且與其一起使用。

圖602包括在各導體620、630與640上之十字線，該十字線顯示用於相互套疊之相對位置。例如，以扁平導體620作為一「中間」導體，該十字線對齊在該導體之中心點上。就上導體630而言，該導體係顯示為稍微偏置在該十字線之中心點上方，且就下導體640而言，該導體係顯示為稍微偏置在該十字線之中心點下方。相對該十字線可觀察到該十字線如何對齊在上導體630上之一輪輻的一邊緣上，且該邊緣對齊下導體640之一輪輻的一互補邊緣，同時該十字線分開在扁平導體620之二輪輻間的中間部。可了解的是該等導體可如何套疊在一起，且由於該等彎曲在該等上與下導體中，可具有由該三不同相堆 疊之交替輪輻構成之一比較扁平定子芯表面。該扁平定子芯係由互相交錯以定位相鄰不同堆疊之輪輻的大致共平面堆疊構成。可了解的是扁平導體620之通路長度事實上比導體630與640之二彎曲或波狀線圈短。以往該不均等通路長度會產生不均等力。在一實施例中，一固態控制器(例如，數位微控制器或微處理器)驅動圖602之定子總成以便數位地補償該等不均等通路長度。該數位補償使較低成本機械系統可替代較複雜控制軟體。

因此，如圖所示，在一實施例中，一定子總成包括各具有多數層之多數堆疊。各堆疊包括可依據在此所述之任一實施例電氣連接的多數經塗覆導體線圈層。在一實施例中，一單一導體堆疊之某些或所有層並聯地連接以降低驅動該EMF之一所需電壓。在一實施例中，一單一導體堆疊之某些或所有層串聯地耦合以增加該所需電壓。在一實施例中，該等堆疊包括呈一蜿蜒形狀之二或二以上線圈，且該等線圈互相摺疊以形成用於該定子之一結構。應了解的是多數層互相套疊在內側可增加每體積之總導體量。套置該等層可另外減少相鄰層之磨耗及可能短路。

圖6B係該等三相之導體堆疊成一定子總成之橫截面圖實施例的圖。圖604顯示圖6A之圖602的定子總成的一橫截面，且不同導體堆疊相對於其中心點對齊。

圖604之觀點更清楚地顯示上導體630及下導體640的曲率，同時扁平導體620之堆疊是扁平的。交 錯該等導體層之堆疊可幾乎完全填滿在該定子芯中之間隙，這在一預定體積中提供一最大量之導體以放置成與一磁鐵陣列相鄰。增加在該預定體積中之導體量可減少電阻損失。在一實施例中，各相包括鋁或其他導體材料薄片的一多層堆疊，其相對於相同形狀之一實心線圈降低該渦電流損失該板厚度之平方。該薄片可減少渦電流損失同時增加驅動該電流所需之電壓。

圖6C係該等三相之導體堆疊成一定子總成之立體圖實施例的圖。圖606顯示交錯導體堆疊之另一觀點。雖然顯示為相1、相2與相3，在一實施例中，依據該等導體如何連接，該堆疊總成可包括一單一相、二相或三相。因為在各堆疊中有多數導體層，在一實施例中，圖606之該定子總成可容納三相以上。增加相數會減少在最大轉矩間之角旋轉，且因需要較窄導體而降低電流承載容量。

圖7係一三相定子芯之一總成實施例的圖。總成700提供依據圖6A、6B與6C之圖602、604與606的一定子總成例。總成700可提供一3相系統之例子。總成700包括套疊導體722、724與726。在圖中之各符號包括指向相同導體線圈之最接近輪輻的箭號，且該等最接近輪輻被交錯導體線圈之輪輻分開。因此，例如，總成700包括，由左移動至右，一導體724之輪輻、一相鄰導體722之輪輻、一相鄰導體726之輪輻、一相鄰導體724之輪輻，且重複該模式。

總成700包括由導體722、724與726所提供 之徑向電流通路。該等徑向電流通路使電流可相對於提供與一軸之一介面的中心710徑向地流動。內緣732靠近中心710，且外緣734在該等導體距離中心710最遠之一點。可觀察到的是各輪輻之橫截面由內緣732變化至外緣734，這可增加可在該定子中包含之導體材料的量。

在一實施例中，總成700包括一平坦徑向段以便在一軸向通量磁性陣列之間具有一小間隙。該平坦徑向段包括在內緣732與外緣734間之經塗覆導體的輪輻表面。該平坦徑向段可為冷卻提供一比較大表面積。總成700之設計亦減少該磁場外之材料的量同時仍保持一用於該電流之通路。

圖8A係分開成多數段以減少電流迴路之一導體實施例的圖。如前所述，相較於較厚導體，使用薄經塗覆導體片可減少渦電流損失。呈線形之導體通常橫截面或直徑固定，且電阻取決於用以切換通常在馬達中使用之頻率的材料量。較小橫截面具有比具有相同導體之較大橫截面大的電阻損失。但是，較大橫截面會產生比較無效率包裝及比較少繞組。以往，就一馬達設計而言，該線係選擇成讓一所需圈數可依最小體積及包裝要求設定該電壓及電流。

藉由相較於一習知線的一致橫截面，將該導體之某些段作成比較大來利用可用空間或體積，依據導體堆疊810之一定子可降低總系統導電損失。在一實施例中，導體堆疊810包括用氧化鋁陽極氧化之多數鋁層。藉 由使該等導體圖案化，電流通路812可包括多數較大橫截面段以便在只用少許重量代價或材料成本之情形下藉由另外之鋁減少總電阻。該另外之導體材料增加該馬達之機器效率，且使該定子更堅固及堅硬。導體之增加量亦可提供用以連接層及為暫時過熱提供更多材料作一散熱器之更多選擇。

為產生所需EMF以轉動具有一磁性陣列之一轉子，該系統供給一電流通過該導體，且使它隨著來自另一導體或磁鐵之一磁場移動而改變。但是，應了解的是該等相對磁場之移動產生與該移動相對之如楞次定律所述的磁場。導體堆疊810顯示來自一磁鐵之感應渦電流814，且該磁鐵具有定向成與移動靠近導體堆疊810之移動方向垂直的一磁場。具有箭號之字母「B」代表由一磁鐵總成產生之一磁通方向。在包括電流通路812之一定子上移動的具有磁場B之磁鐵總成產生成為與該移動相對之電流迴路的渦電流814。

在導體堆疊810中產生之渦電流814流動並產生必須克服之一磁場，因此產生一損失源。藉由將該通路作成較小，且並聯地放置數個導體使該等電流迴路互相抵消，可減少這些損失。但是，在一習知系統中使用並聯導體要付出增加機械複雜性、增加絕緣之代價，且由於增加絕緣而增加電阻損失會減少可用導體。如圖所示，導體堆疊810將該導體分段成多數比較薄層。分成多數層會相對於相同體積之一實心導體產生更多電流通路812。該等 導體層提供並聯通路，且在該導體上之塗層提供絕緣同時未增加明顯絕緣體積。

在一實施例中，導體堆疊810包括鋁或銅或其他金屬導體。在一實施例中，導體堆疊810包括石墨烯或其他非金屬導體。不論是金屬或非金屬導體，導體堆疊810都可增加填充一導體之可用體積，因此可減少渦電流損失及電阻損失。

圖8B係在具有一分段電流通路之一導體中的一渦電流實施例的圖。導體820代表具有橫截面822之一導體，其中產生渦電流824。導體830代表分成四段且具有較小橫截面832之相同導體820。渦電流834係比渦電流824小之電流迴路，且減少該等渦電流損失。應了解的是渦電流損失與橫截面積之減少的平方成正比地下降。因此，切割該寬度或橫截面積成一半使該等渦電流損失減少4，切割該橫截面積成三分之一使該等渦電流損失減少9等等。

應用減少暴露於該磁通之表面積來減少該等渦電流的原理，導體堆疊840顯示類似於圖8A之導體堆疊810的一導體堆疊，但具有分段電流通路842。電流通路842比導體堆疊810之電流通路812窄。在一實施例中，電流通路842使用雷射切割、水刀、金屬衝壓、感應式焊接、或其他製造技術、或其組合形成以產生多數線圈層，該等線圈層具有供電流朝所需方向流動之低電阻，但對電流朝不需要方向流動具有高阻抗。因此，該電流通路842 可增加電流承載容量，同時降低由於該等磁場之相對移動產生之渦電流844的渦電流損失。

在一實施例中，導體堆疊840包括多數鋁或其他導體層，該等鋁或其他導體層藉由衝壓或切割或其組合加工並接合成該堆疊，且經處理而產生一導電通路之絕緣堆疊作為用於一定子的一電感器。衝壓、切割、接合及處理以形成該絕緣體之順序可改變。改變接合、切割及衝壓之順序可使電流通路842之一特定特性最佳化，因此可改善其應用於電磁機器之磁場的線性、旋轉或固定耦合的適合性。該經塗覆導體增加在該體積中之導體量，同時減少所需絕緣之量。導體堆疊840可包括串聯或並聯導體之變化構態，該等變化構態可包括變化尺寸、層數、該電流通路之變化形狀或複雜度、或其組合。應了解的是該等變化可讓一機器調整至如效能、效率、電壓或最大電流承載容量等之一所需能力組合。

在一實施例中，導體堆疊840包括未互相電氣連接之在相同導體平面中的多數電流通路842。在一實施例中，導體堆疊840包括只沿一磁性陣列會通過之該導體的一通路分開的多數電流通路842且可連接在外圓周、內圓周或兩者(例如，比較圖9A至圖9B)。形成具有長切口之許多薄板來分開電流通路842可減少渦電流844。導體堆疊840可包括具有並聯電流通路842之多數薄導體，且該等並聯電流通路842與移動方向垂直地電氣接合，但朝移動方向電氣絕緣。

在一實施例中，導體堆疊840之各種層可連接在內圓周。在一實施例中，導體堆疊840之各種層可連接在外圓周。在一實施例中，導體堆疊840之各種層可連接在內與外圓周之交替接點。在一實施例中，導體堆疊840之交替層在該等層重疊時具有不同位置之切口及邊緣。該等變化可在該等板未固定而及由於移動產生磨耗時防止局部摩擦破壞及加熱。例如，考慮顯示在一單一導體層中之三分開通路的電流通路842。若下一導體層具有二分開通路，該層之一切口不會與所示層之二切口重疊，這會增加該等層之電氣分隔。其他變化可依據所述者了解。

圖9A係具有一分段電流通路之一導體的一俯視圖實施例的圖。導體層910顯示具有在該等電流迴路間之部份或全部分隔的一扁平定子層。導體層910包括分段輪輻912，但由於該導體具有完成完全環繞該導體層之通路的徑向電流通路，該導體容許電流沿所需方向流動。在一實施例中，該分段發生在內緣922及在外緣924。在一實施例中，內緣922及該等輪輻分段且外緣924未分段。在一實施例中，只有外緣924及該等輪輻分段且內緣922未分段。如圖所示，導體層910包括具有多數並聯電流通路之多個輪輻，且該等並聯電流通路係對齊成與一磁鐵總成之磁極的移動正交。依據以上關於圖8B所述者，導體層910可在一堆疊中成層且其他層具有相同或不同圖案。在一實施例中，交替層具有分段輪輻，且一或多個層沒有分段輪輻，或具有較少段。亦可能超過三段。

圖9B係具有一部份分段電流通路之一導體的一俯視圖實施例的圖。導體層930顯示具有部份分段導體部份之一扁平定子層。更詳而言之，導體層930包括具有未分段之內緣942及外緣944之多個分段輪輻932。因此，導體層930包括在該導體層之徑向電路通路中的分段電流通路部份932及實心電流通路部份934。由於事實上依據磁鐵移動952在該等輪輻中產生渦電流，該等輪輻之分段在渦電流迴路之間提供分隔。磁鐵範圍954代表該磁鐵總成之磁鐵元件會通過導體層930之一大略範圍。在一實施例中，分段部份932徑向地延伸與磁鐵範圍954之一寬度大致相同的一長度。徑向切口或分隔使該等渦電流減少該等分段數之平方。在一實施例中，由內緣942代表之通路的中心及由外緣944所代表之端通路在該主磁場外，且因此比較不受到渦電流影響。由於在該主磁場外的該通路之該等部份為實心，若該等流動電流低於所需渦電流損失，相較於一完全分段導體層，導體層930可增加機械硬度。

圖10A係具有在外圓周接合之多數層的一蜿蜒繞組實施例的圖。導體1010提供可在依據任一在此所述實施例之一導體堆疊中的一經塗覆導體層例。導體1010係具有六段之一蜿蜒繞組，相較於六習知線圈，該蜿蜒繞組減少該導電通路，同時提供一機械通路讓另外之導體可重疊。導體之重疊或交錯可增加體積密度，同時可具有一相或二或二以上相。在一實施例中，導體1010在外圓周 上之連接1012連接在一堆疊中的其他層。在一實施例中，連接1012使多數導體線圈可由一相同平面之導體材料形成(由相同金屬片衝壓)，且接著互相彎曲或摺疊。因此，多數層可在連接1012接合形成，且接著摺疊或彎曲以形成一導體堆疊。依據連接1012如何與導體1010之電流通路及它如何與其他層連接，連接1012可為相鄰層提供一並聯連接，或可為相鄰層提供一串聯連接。在一實施例中，一外圓周連接1012可容許該內圓周自由浮動，因此容許一定子相對於通過導體1010之中心的一軸桿(未圖示)旋轉。

圖10B係具有在內圓周接合之多數層的一蜿蜒繞組實施例的圖。導體1020提供可在依據任一在此所述實施例之一導體堆疊中的一經塗覆導體層例。導體1020係具有六段之一蜿蜒繞組，相較於六習知線圈，該蜿蜒繞組減少該導電通路，同時提供一機械通路讓另外之導體可重疊。導體之重疊或交錯可增加體積密度，同時可具有一相或二或二以上相。在一實施例中，導體1020在內圓周上之連接1022連接在一堆疊中的其他層。在一實施例中，連接1022使多數導體線圈可由一相同平面之導體材料形成(由相同金屬片衝壓)，且接著互相彎曲或摺疊。因此，多數層可在連接1022接合形成，且接著摺疊或彎曲以形成一導體堆疊。依據連接1022如何與導體1020之電流通路及它如何與其他層連接，該連接1022可為相鄰層提供一並聯連接，或可為相鄰層提供一串聯連接。

在一實施例中，一內圓周連接1022可容許該外圓周自由浮動，因此容許一定子可與在該中心的一軸桿(未圖示)連接，且容許整個總成可相對於在該外圓周外之一殼體(未圖示)浮動。對固定在一軸桿上之車輪馬達或其他裝置而言，導體1020容許該外圓周可自由地靜止。

圖11A係在一線圈總成之一扁平相上的一海爾貝克陣列配置實施例的圖。總成1110顯示在一交錯線圈總成或導體總成上之一海爾貝克陣列。總成1110包括導體芯1112，該導體芯1112可包括依據任一在此所述實施例的經塗覆導體層堆疊。總成1110包括在一海爾貝克配置中之磁鐵陣列1114。雖然未特別顯示，但一雙軸海爾貝克陣列亦包括在導體芯1112之另一側上的一磁鐵陣列。在一實施例中，總成1110包括與導體芯1112相鄰之一磁鐵陣列1114。在一實施例中，總成1110包括與導體芯1112相鄰之二磁鐵陣列1124，且導體芯1112在該等二磁鐵陣列之間。

導體芯1112具有環繞中心1116之導體。磁鐵陣列1114亦呈環繞中心1116之一圓形圖案。中心1116可容許包含一軸桿或轉子。在一實施例中，導體芯1112為一電動馬達提供一定子芯。在一實施例中，磁鐵陣列1114與導體芯1112分開一小空氣間隙。即使在被一空氣間隙分開時，磁鐵陣列1114亦可被視為與導體芯1112相鄰。例如，磁鐵陣列1114可藉由安裝在覆蓋該導體芯1112之一殼體中而被固定在所示配置中。在一實施例中，磁鐵 陣列1114包括非矩形，但成形為填充環繞總成1110之圓形空間的多個磁鐵。

圖11B係一雙軸海爾貝克陣列之實施例的圖。總成1120顯示在一交錯線圈總成或導體總成上之一海爾貝克陣列。總成1120包括導體芯1122，該導體芯1122可包括依據任一在此所述實施例之具有多數輪輻1128的經塗覆導體層堆疊。總成1120包括在一海爾貝克配置中之磁鐵陣列1124。雖然未特別顯示，但一雙軸海爾貝克陣列亦包括在導體芯1122之另一側上的一磁鐵陣列。在一實施例中，總成1120包括與導體芯1122相鄰之一磁鐵陣列1124。在一實施例中，總成1120包括與導體芯1122相鄰之二磁鐵陣列1124，且導體芯1122在該等二磁鐵陣列之間。

導體芯1122具有環繞中心1126之導體。磁鐵陣列1124亦呈環繞中心1126之一圓形圖案。中心1126可包含一軸桿或轉子。在一實施例中，導體芯1122為一電動馬達提供一定子芯。在一實施例中，磁鐵陣列1124與導體芯1122分開一小空氣間隙。即使在被一空氣間隙分開時，磁鐵陣列1124亦可被視為與導體芯1122相鄰。例如，磁鐵陣列1124可藉由安裝在覆蓋該導體芯1122之一殼體中而被固定在所示配置中。在一實施例中，磁鐵陣列1124包括多個矩形磁鐵，該等矩形磁鐵在環繞總成1120之圓形的磁鐵間留下小間隙。相較於總成1110，總成1120顯示較多磁鐵，因此提供較多磁極。應了解的是 總成1110可包括較多磁鐵，且總成1120可包括較少磁鐵。因此，該等磁鐵之形狀不一定與在該陣列中之磁鐵數目相關。相對於較少磁極，在作為一馬達或發電機操作時較多磁極產生或需要較高頻率。

請參閱圖11A與11B，總成1110與1120之結構可用於冷卻。利用該等定子總成之螺旋移動，空氣或流體可由於向心力由中心向外移動。隨著旋轉表面加速，該空氣或流體產生正切移動，產生一徑向向外之淨熱傳送。利用藍寶石或另一塗層之熱傳送能力，該塗層可將熱傳送遠離導體，且接著該冷卻螺旋移動移除該熱遠離該總成。利用在該等導體層與該等磁鐵總成間之一空氣間隙，空氣或另一流體可通過該等導體與該等磁鐵之間。因此，用於操作該馬達之結構及動作可提供所需之冷卻。將該電感器之一或多個相形成為一幾乎實心定子提供一剛性結構，該剛性結構可藉由從環繞轉軸之中心進入的冷卻流體或氣體的向心流動來散熱。隨著熱傳送至具有一塗層之導體的表面，該流體或氣體可帶著該熱由該轉子之表面，螺旋離開以便由該定子移除熱。使用具有數位控制之現代馬達控制器可修改電流及電壓特性以便數位地改變速度、轉矩及功率要求。在具有多數相之一實施例中，即使當不同相具有不同實體結構及不同電氣通路長度時，該數位控制亦可數位地使各相看起來電氣地且實體地相等。

圖12A係具有在一蜿蜒通路中與一海爾貝克陣列相鄰之多數導體層的一馬達總成實施例的圖。總成 1200提供依據任一在此所述實施例之具有經塗覆導體層的一馬達總成例。總成1200包括具有輪輻1212之六段，且磁鐵陣列1216提供一比較大數目之磁極。磁鐵陣列1216提供在該等磁鐵間具有間隙的一陣列例。導體芯1210包括具有用於一軸桿或軸之中心1214的多數經塗覆導體堆疊。如同該等增加數目之磁極，用於該電流之一複雜或螺旋蜿蜒通路會增加總成1200之電壓需求。在多數層間之連接可藉由焊接在該等層上或透過機械接合與一電路板在外部完成。該等導體堆疊可被視為堆疊以提供減少電阻損失之一密集通路的多個導體板。導體芯1210之表面可作為用以將熱由該較熱中心區域抽出之一熱交換器。

在一實施例中，總成1200係一馬達之一部分。考慮具有一關節之起始動作的一機器人例。為產生由完全停止移動到舉起一質量所需之轉矩，加速手臂及質量所需該起始動力為高，但一旦開始動作，以一固定速度繼續的動力會是克服軸承損失之該起始動力的一極小部分。開始及停止之起始或周期動作比平均動力高很多，需要平均動力需求之數倍。但是，應了解的是該較高動力只需要一段比較短時間，例如數秒。

在一實施例中，總成1200之結構可容許該馬達用若持續則會高到足以造成故障之電流或電壓或兩者來超速傳動。但是，藉由只驅動該電流或電壓或兩者一段短時間且接著冷卻數秒，該系統可承受高動力期間，同 時可使用一較小、較輕整體馬達。總成1200之結構在層間提供更大導熱率，因此改善冷卻效果。此外，在一實施例中，該馬達可用暫時電力突波驅動且比較不可能過熱。比較不可能過熱容許使用比以往使用小之馬達，因為該馬達可用過電流暫時地驅動。該超速傳動可為該穩定狀態使用者兩倍或兩倍以上。使用一較小馬達減少成本且減少馬達重量，因此可擴展依據總成1200之一電動馬達的應用。通常，一馬達之尺寸作成即使使用少於該時間之百分之十亦可達成尖峰效能要求。作成該馬達尺寸會增加過多重量、成本及複雜性。藉由使一馬達尺寸作成因為暫時超速傳動該馬達來驅動該等尖峰要求之能力而達到該平均要求負載，該設計可使用一較小、較輕、更符合經濟效益之馬達且不需犧牲效能。

例如，類似於開始移動一機器人附肢或關節所需之動力，在起飛或盤旋時電動飛行器垂直起飛或降落所需之動力會超過巡航之要求。具有依據總成1200的堆疊線圈之一定子可短時間耐受高熱輸出及可能之低效率。到達所需高度或穩定狀態操作後，該馬達控制器可降低動力輸出，且在一馬達之設計最佳效率範圍內操作。類似地，為加速一電動車遠離一停靠點，該電動車會需要五倍之標稱動力，例如，具有每車輪額定值10千瓦標稱值之四車輪可產生200千瓦動力(268匹馬力)數秒。相同馬達可在以每小時55英哩行駛時提供高效率操作，該等馬達較輕且較小，並且因此產生比每車輪標稱50千瓦馬達少的未跳 動質量。

圖12B係具有多數導體層及一殼體之一馬達總成實施例的圖。系統1220提供依據圖12A之一總成1200實施例的一馬達總成例。系統1220顯示具有以中心1224為中心之輪輻1222的導體芯1232，該中心1224可為一軸桿或軸之位置。系統1220包括與導體芯1232相鄰之磁鐵陣列1234。系統1220亦顯示代表一金屬或陶瓷或其他耐熱殼體之殼體1236。在一實施例中，殼體1236保持磁鐵陣列1234之磁鐵於定位。殼體1236可比所示者大，且例如，可覆蓋所有導體芯1232。

在一實施例中，系統1220包括連接不同層或不同導體堆疊、或兩者之連接器1242與1244。在使用多數相之一實施例中，連接器1242與1244可提供與不同相之連接點。在一實施例中，連接器1242或1244或兩者可在該總成內，且靠近中心1224。雖然未特別顯示，可了解的是系統1220可包括用於一軸桿之一或多個軸承。在該等連接器在中心1224中之一實施例中，系統1220可包括環繞該導體芯外側之一或多個軸承。

圖13A係一線性海爾貝克陣列之一靜磁有限元素模擬實施例的圖。圖1310顯示用於一線性海爾貝克陣列之一靜磁有限元素模擬的磁場。磁鐵陣列1320之海爾貝克陣列減少因使該磁場集中在一側產生之損失，減少背鐵之需求，且在沒有鋼積層之情形下容許線性、徑向及軸向馬達設計。免除背鐵可減少齒槽效應轉矩及渦電流損失。 如在此所述地，該海爾貝克陣列可與堆疊經塗覆導體一起使用。圖1310顯示在磁鐵陣列1320之一側的強磁場1312、及在磁鐵陣列1320之另一側的弱磁場1314。該較暗陰影顯示較密集之磁場。該定子可定位在強磁場1312之側。

習知馬達經常具有運用鋼或其他適當材料對空氣之增加磁導率的矽鋼積層。但是，這些積層具有抵消該增加之磁場強度的數個缺點。它們會在該等磁場於馬達整流期間來回切換時具有磁滯損失，它們會飽和並限制可產生之最大磁場，它們會增加重量，且它們會佔據可供另外導體使用之體積。舉例而言，在如永久磁鐵軸向磁通馬達之某些電動機器中，藉由免除該等鋼積層，依據此在此所述之經塗覆導體堆疊的定子可用更多導體取代釋出體積。增加該塗層可增加磁阻，但若相同電流流動，則產生另外之磁力。若有可使用空間，軸向磁通馬達之進步設計可利用另外之磁極、另外之磁性材料、另外之導體及增加之半徑來最佳化，因此對一已知體積及重量產生更大功率及轉矩。相同馬達會需要更高切換速度、電壓、及磁極與材料。若可在產生較小損失及熱之情形下由該導體產生該等磁場，該系統可獲得好處。該取捨可在馬達中產生遠超過百分之九十的效率。依據在此所述之一定子可產生對於生產符合經濟效益及有效率的一馬達。

圖13B係一雙海爾貝克陣列之一靜磁有限元素模擬實施例的圖。圖1330顯示用於相向之二線性海爾貝 克陣列之一靜磁有限元素模擬的磁場線。磁鐵陣列1342及磁鐵陣列1344之海爾貝克陣列藉由使該磁場集中在該等陣列間來減少損失。具有雙海爾貝克陣列及在此所述之經塗覆導體的一馬達可減少背鐵之需求，且在沒有鋼積層之情形下容許線性、徑向及軸向馬達設計。圖1330顯示在磁鐵陣列1342及磁鐵陣列1344之相向側上的強磁場1332。在磁鐵陣列1342及磁鐵陣列1344之非相向側上具有弱磁場1334。該較暗陰影顯示較密集之磁場。該定子可定位在強磁場1332中之磁鐵陣列之間。在具有雙磁鐵陣列之一實施例中，該等陣列可利用一或多個殼體元件定位，且利用在該等磁鐵陣列間之空氣間隙及該定子總成之平坦部份分開。

圖14係一馬達總成之一實施例的圖。總成1400顯示其中顯示一軸或軸桿之一總成。更詳而言之，總成1400包括多個導體1410，該等導體1410係依據任一在此所述實施例之經塗覆導體。總成1400包括被殼體1430保持定位之海爾貝克陣列1420。軸1440代表連接在該定子總成之中心的一軸桿或軸。應了解的是總成1400之一實際實施方式通常是被完全封閉，且多個軸承在移動與固定元件之間。在某些馬達設計中，該軸桿固定在該定子總成上。在其他馬達設計中，該軸桿相對於一固定定子總成旋轉。總成1400可支持任一種馬達設計。

例如，總成1400可包括或被修改以包括耦合該定子總成及軸1440之一機械安裝件。在該設計中， 一轉子可環繞該軸桿自由地旋轉。該設計對於一車輪馬達應用是有用的。在另一例子中，總成1400可包括或被修改以包括耦合該定子總成及一馬達殼體之一機械安裝件。在該設計中，一轉子可固定在軸1440上。

在一方面，一種定子總成包括：一磁鐵總成，其具有在一第一平面中環繞一定子中心點呈一徑向圖案的多數磁鐵；及一定子芯，其與該磁鐵總成相鄰，該定子芯具有多數經塗覆導體層之一堆疊，其中該導體具有一矩形橫截面，且一絕緣塗層與該導體化學地結合。

在一實施例中，該矩形橫截面由在靠近該定子中心點之一點的一較小區域變化至在遠離該定子中心點之一點的一較大區域。在一實施例中，該導體包含圖案化金屬片。在一實施例中，該導體包含鋁且該塗層包含藍寶石。在一實施例中，該導體包含銅且該塗層包含鑽石。在一實施例中，一導體層包括多數輪輻，且一輪輻靠近該定子中心點電氣地耦合該層之一相鄰輪輻，且靠近一定子外緣電氣地耦合該層之一不同相鄰輪輻。在一實施例中，該定子具有多數經塗覆導體層之複數個堆疊。在一實施例中，該等複數個堆疊包含與一第二堆疊套疊之一第一堆疊，其中該第一堆疊之輪輻與該第二堆疊之輪輻交錯相鄰且大致共平面。在一實施例中，該等複數個堆疊包含：一第一堆疊，其具有一第一相；及一第二堆疊，其具有與該第一相不同之一第二相。在一實施例中，該等輪輻包括多數並聯電流通路，該等多數並聯電流通路對齊成與該等第 一與第二磁鐵總成之磁極的移動正交。在一實施例中，該等輪輻之該等多數並聯電流通路與一單一電流通路接合以便靠近該定子中心點電氣地耦合且與一單一電流通路接合以便靠近該定子外緣電氣地耦合。在一實施例中，該等多數導體層包含呈一蜿蜒形狀之金屬線圈，其中該等線圈互相摺疊。在一實施例中，該等導體層中之至少二層並聯地連接。在一實施例中，該等導體層中之至少二層串聯地連接。在一實施例中，該磁鐵總成包含一第一磁鐵總成，且更包含：一第二磁鐵總成，其具有在與該第一平面平行之一第二平面中環繞該定子中心點呈一徑向圖案的多數磁鐵；其中該定子芯在該等第一與第二磁鐵總成之間。

另一方面，一種馬達總成包括：一馬達殼體；一轉子；一軸桿；及一定子總成，其包括：一第一磁鐵總成，其具有在一第一平面中環繞一定子中心點呈一徑向圖案的多數磁鐵；一第二磁鐵總成，其具有在與該第一平面平行之一第二平面中環繞該定子中心點呈一徑向圖案的多數磁鐵；及一定子芯，其在該等第一與第二磁鐵總成之間，該定子芯具有多數經塗覆導體層之一堆疊，其中該導體具有一矩形橫截面，且一絕緣塗層與該導體化學地結合。

在一實施例中，一導體層包括多數輪輻，且一輪輻靠近該定子中心點電氣地耦合該層之一相鄰輪輻，且靠近一定子外緣電氣地耦合該層之一不同相鄰輪 輻，並且其中該導體包含鋁且該塗層包含藍寶石。在一實施例中，該馬達總成包含一線性馬達。在一實施例中，更包含：一機械安裝件，其用以耦合該定子總成及該軸桿，其中該轉子環繞該軸桿自由地旋轉，其中該定子芯之相鄰層靠近該定子中心互相連接。在一實施例中，該馬達總成包含一車輪馬達的一馬達。在一實施例中，更包含：一機械安裝件，其用以耦合該定子總成及該馬達殼體，其中該轉子固定在該軸桿上，其中該定子芯之相鄰層靠近一定子外緣互相連接。在一實施例中，該矩形橫截面由在靠近該定子中心點之一點的一較小區域變化至在遠離該定子中心點之一點的一較大區域。在一實施例中，該導體包含圖案化金屬片。在一實施例中，該導體包含鋁且該塗層包含藍寶石。在一實施例中，該導體包含銅且該塗層包含鑽石。在一實施例中，一導體層包括多數輪輻，且一輪輻靠近該定子中心點電氣地耦合該層之一相鄰輪輻，且靠近一定子外緣電氣地耦合該層之一不同相鄰輪輻。在一實施例中，該定子具有多數經塗覆導體層之複數個堆疊。在一實施例中，該等複數個堆疊包含與一第二堆疊套疊之一第一堆疊，其中該第一堆疊之輪輻與該第二堆疊之輪輻交錯相鄰且大致共平面。在一實施例中，該等複數個堆疊包含：一第一堆疊，其具有一第一相；及一第二堆疊，其具有與該第一相不同之一第二相。在一實施例中，該等輪輻包括多數並聯電流通路，該等多數並聯電流通路對齊成與該等第一與第二磁鐵總成之磁極的移動正交。在一實施例中， 該等輪輻之該等多數並聯電流通路與一單一電流通路接合以便靠近該定子中心點電氣地耦合且與一單一電流通路接合以便靠近該定子外緣電氣地耦合。在一實施例中，該等多數導體層包含呈一蜿蜒形狀之金屬線圈，其中該等線圈互相摺疊。在一實施例中，該等導體層中之至少二層並聯地連接。在一實施例中，該等導體層中之至少二層串聯地連接。在一實施例中，該磁鐵總成包含一第一磁鐵總成，且更包含：一第二磁鐵總成，其具有在與該第一平面平行之一第二平面中環繞該定子中心點呈一徑向圖案的多數磁鐵；其中該定子芯在該等第一與第二磁鐵總成之間。

除了在此所述者以外，在不偏離其範圍之情形下可對本發明揭露之實施例及實施方式進行各種修改。因此，在此之說明及例子應被視為是用以說明而非限制。本發明之範圍應只藉由參照以下申請專利範圍來判斷。

1200‧‧‧總成

1210‧‧‧導體芯

1212‧‧‧輪輻

1214‧‧‧中心

1216‧‧‧磁鐵陣列

Claims (20)

1. 一種定子總成，其包含：一磁鐵總成，其具有在一第一平面中環繞一定子中心點呈一徑向圖案的多數磁鐵；及一定子芯，其與該磁鐵總成相鄰，該定子芯具有複數個堆疊，由經塗覆導體之多個層構成之各個堆疊具有多數個輪輻，且一輪輻係以靠近該定子中心點的一內連接處與該層的一相鄰輪輻電氣耦合，並以靠近一定子外緣的一外連接處與該層的一不同相鄰輪輻電氣耦合，其中該導體具有一矩形橫截面，其中該輪輻具有朝該內連接處較窄及朝該外連接處較寬之一變化寬度，該經塗覆導體具有一非金屬元件，其與該導體化學地結合以在該導體上產生一絕緣塗層，其中該等複數個堆疊包括一第一堆疊、一第二堆疊和一第三堆疊，該等三個堆疊彼此套疊，其中在該第一堆疊的兩個輪輻之間，該第二堆疊的一輪輻和該第三堆疊的一輪輻彼此交錯相鄰，而該第一堆疊的該等兩個輪輻、該第二堆疊的該輪輻和該第三堆疊的該輪輻係處在平行於該第一平面之一第二平面，其中該第一堆疊之內連接處和外連接處係與該第二平面共平面，其中該第二堆疊的多數個輪輻包括一彎曲，且該第二堆疊之內連接處位在該第一堆疊之該內連接處的頂部，以及該第二堆疊之外連接處位在該第一堆疊之該外連接處的頂部，以及 其中該第三堆疊的多數個輪輻包括一彎曲，且該第一堆疊之該內連接處位在該第三堆疊之內連接處的頂部，以及該第一堆疊之該外連接處位在該第三堆疊之外連接處的頂部。
2. 如請求項1之定子總成，其中該導體包含圖案化金屬片。
3. 如請求項1之定子總成，其中該導體包含鋁且該非金屬元件包含氧，以在該鋁的導體上產出一藍寶石塗覆物。
4. 如請求項1之定子總成，其中該導體包含銅且該非金屬元件包含碳，以在該碳的導體上產出一鑽石塗覆物。
5. 如請求項1之定子總成，其中該第一堆疊之該導體的一物理長度係比該第二堆疊和該第三堆疊之該導體的物理長度短，其中該第二堆疊之該導體的該物理長度係等於該第三堆疊之該導體的該物理長度，其中一定子控制器係用以驅動電荷通過該第一堆疊、該第二堆疊及該第三堆疊，以應對該等個別的導體之物理長度的差異。
6. 如請求項1之定子總成，其中該等複數個堆疊包含：具有一第一電氣相之該第一堆疊，具有與該第一電氣相不同之一第二電氣相之該第二堆疊，以及具有與該第一電氣相或該第二電氣相不同之一第三電氣相之該第三堆疊。
7. 如請求項1之定子總成，其中該等輪輻包括多數並聯電流通路，該等多數並聯電流通路對齊成與該等第一與第二磁鐵總成之磁極的移動正交。
8. 如請求項7之定子總成，其中該等輪輻之該等多數並聯電流通路與一單一電流通路接合以便靠近該定子中心點電氣地耦合，且與一單一電流通路接合以便靠近該定子外緣電氣地耦合。
9. 如請求項1之定子總成，其中該等多數導體之層包含呈一蜿蜒形狀之金屬線圈，其中該等線圈互相摺疊。
10. 如請求項1之定子總成，其中該等導體之層中之至少二層並聯地連接。
11. 如請求項1之定子總成，其中該等導體之層中之至少二層串聯地連接。
12. 如請求項1之定子總成，其中該磁鐵總成包含一第一磁鐵總成，且更包含：一第二磁鐵總成，其具有在與該第一平面平行之一第三平面中環繞該定子中心點呈一徑向圖案的多數磁鐵；其中該定子芯在該等第一與第二磁鐵總成之間。
13. 一種馬達總成，其包含：一馬達殼體；一轉子；一軸桿；及一定子總成，其包括： 一第一磁鐵總成，其具有在一第一平面中環繞一定子中心點呈一徑向圖案的多數磁鐵；一第二磁鐵總成，其具有在與該第一平面平行之一第二平面中環繞該定子中心點呈一徑向圖案的多數磁鐵；及一定子芯，其介於與該第一磁鐵總成和該第二磁鐵總成之間，該定子芯具有複數個堆疊，由經塗覆導體之多個層構成之各個堆疊具有多數個輪輻，且一輪輻係以靠近該定子中心點的一內連接處與該層的一相鄰輪輻電氣耦合，並以靠近一定子外緣的一外連接處與該層的一不同相鄰輪輻電氣耦合，其中該輪輻具有朝該內連接處較窄及朝該外連接處較寬之一變化寬度，該經塗覆導體具有一非金屬元件，其與該導體化學地結合以在該導體上產生一絕緣塗層，其中該等複數個堆疊包括一第一堆疊、一第二堆疊和一第三堆疊，該等三個堆疊彼此套疊，其中在該第一堆疊的兩個輪輻之間，該第二堆疊的一輪輻和該第三堆疊的一輪輻彼此交錯相鄰，而該第一堆疊的該等兩個輪輻、該第二堆疊的該輪輻和該第三堆疊的該輪輻係處在平行於該第一平面之一第三平面，其中該第一堆疊之內連接處和外連接處係與該第三平面共平面，其中該第二堆疊的多數個輪輻包括一彎曲，且該第二堆疊之內連接處位在該第一堆疊之該內連接處 的頂部，以及該第二堆疊之外連接處位在該第一堆疊之該外連接處的頂部，以及其中該第三堆疊的多數個輪輻包括一彎曲，且該第一堆疊之該內連接處位在該第三堆疊之內連接處的頂部，以及該第一堆疊之該外連接處位在該第三堆疊之外連接處的頂部。
14. 如請求項13之馬達總成，其中該馬達總成包含一線性馬達。
15. 如請求項13之馬達總成，更包含：一機械安裝件，其用以耦合該定子總成及該軸桿，其中該轉子環繞該軸桿自由地旋轉，其中該定子芯之相鄰層靠近該定子中心互相連接。
16. 如請求項15之馬達總成，其中該馬達總成包含一車輪馬達的一馬達。
17. 如請求項13之馬達總成，更包含：一機械安裝件，其用以耦合該定子總成及該馬達殼體，其中該轉子固定在該軸桿上，其中該定子芯之相鄰層靠近一定子外緣互相連接。
18. 如請求項13之馬達總成，其中該導體包含鋁且該非金屬元件包含氧，以在該鋁的導體上產出一藍寶石塗覆物。
19. 如請求項13之馬達總成，其中該導體包含銅且該非金屬元件包含碳，以在該碳的導體上產出一鑽石塗覆物。
20. 如請求項13之馬達總成，其中該定子芯之該第一堆疊之該導體的一物理長度係比該第二堆疊和該第三堆疊之該導體的物理長度短，其中該第二堆疊之該導體的該物理長度係等於該第三堆疊之該導體的該物理長度；以及該馬達總成進一步包含：一定子控制器，其用以驅動電荷通過該第一堆疊、該第二堆疊及該第三堆疊，以應對該等個別的導體之物理長度的差異。

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