电机的制作方法

本发明是一种电机，所述电机可以以将电能转换为旋转机械能的电动机模式运行，或者以将旋转机械能转换为电能的发电机模式运行。

背景技术：

自第一批电动机产生以来，设计者一直在尝试创造出为消除或减少先前解决方案的缺陷而设计的全新结构。我们可以识别许多电动机特征，即，对于所有驱动器而言类似的通用特征(例如，发动机性能，所述发动机性能可以针对每个驱动器而限定并且变化范围通常从50％到95％)和在某些情况下相差几个数量级的特定特征(例如，功率、每分钟转数、重量或生产成本)。近来，不仅仅在我们所有的活动中用电力辅助我们变得越来越重要，而且所使用的方法也变得越来越重要，也就是说，我们自然更喜欢用真空吸尘器而不是刷子来清洁地板，并且一段时间以来，真空吸尘器配备有具有低功率、但高抽吸能力的高效电动机变得很重要。这主要是因为我们已经认识到曾经被认为微不足道甚至有时可以忽略的驱动参数的重要性。这些特征包括例如能量效率、工作方式(例如，低噪音运行，减少电磁干扰)和再循环能力。本专利的目的是在将电能转换成机械能方面表现出极高性能的电动机。这种电动机也可以作为发电机来运行。具有极高效率的电驱动器具有许多非常有利的特性，这些特性现在开始显现但还不太显著，例如：

a：能量效率。99％的高效率意味着1％的很小的能量损耗。机械功率为1000w的电动机消耗1010w-1015w的电功率，而不是当前情况下的1100w或1300w的电功率。大量使用这样的电动机将大幅节省电力。

b：经济节省。在工业上使用电动机驱动器的情况下，由于供给该装置的能量损耗很小，能量效率为所有者带来大幅的经济节省。

c：紧凑尺寸。电动机驱动器内小的能量损耗意味着较低的热辐射，因此可以构造相对较小的驱动器，该驱动器的功率可与现有大得多的装置相当，因为这种电动机驱动器不会由于内部发热而过热。

d：高动态性。高功率和紧凑尺寸的驱动器的特点是出色的高动态性，因为小的尺寸导致惯性矩减小，而相对较高的功率产生高的转矩。这意味着可以实现大的加速度，这在诸如机器人的应用中是非常优选的。

e：低价格。与市场上现有的解决方案相比，紧凑、轻量化的电动机需要更少的原材料，并且生产中的问题更少。以重12kg而非80kg的电动机进行组装操作更加容易。所有这些转化为较低的驱动器生产成本。

当前，使用各种电动机，并且选择电动机的主要标准是做功的类型和性质。会使用不同的驱动器用在空调风扇中和用来操纵机器人臂的位置。毕竟，选择驱动器的最终标准总是经济性，即购买、安装和运行驱动器的成本。在所有类型的电驱动器的中和大多数应用中，人们可以注意到更多具有增强性能的设计和所述设计的更频繁的使用。该趋势会持续下去直到我们发现无损耗运行的电驱动器。

在当前技术进步的状态下，我们可以观察到以下电动机驱动器中的能量损耗源：

a.电动机线圈绕组中发热形式的损耗。这些损耗是由非零电阻导体中的电力流动引起的。由线圈绕组的电阻产生的功率损耗在数值上等于电流值的平方与线圈绕组的电阻之积pstrat＝r*i²(pstrat[w],r[欧姆],i[a])。通过减小绕组中的电流密度并减小绕组的电阻，可以显着降低这些损耗。电流密度的减小会降低由电动机产生的转矩，从而为了获得有用的电动机功率应该增加电动机转速，因为电动机的机械功率等于转速乘以驱动转矩的值pmech＝ω*mnap(pmech[w]，ω[rad/s]，mnap[nm])。绕组电阻的减小可以通过改变制成绕组的材料来实现(这是完全不经济的，因为银的电阻略微低于铜但银要贵得多)，或通过增加绕组的横截面(加厚)并减小绕组的长度来实现。可以通过增加施加到绕组的电压来实现电动机转速的增加。在经典设计的电动机中，这种变化将造成浪涌电流和电动机速度大幅提高。在启动时，这种电动机可能会因绕组烧坏而损坏，因为在绕组中循环的电流值是施加在绕组上的电压与绕组的电阻之商。在启动电动机之后，随着电动机速度的增加，由于绕组的电感并且由于线圈中产生的交变磁场而在绕组中产生反向电压，绕组中的电流减小。使用外部电子系统来控制电流，可以降低减小电动机绕组电阻的负面影响。这些解决方案适用于伺服驱动器，其中伺服驱动器控制器对绕组中循环的电力一直进行测试，以使其不会超过电动机的安全值。可以注意到，这些驱动器是高效的、紧凑的，且具有相对较高的功率输出和高动态性。我们将这主要归功于mosfet晶体管的发展、这些晶体管的导通电阻的减小以及移位时间的减小，这允许产生高效的驱动器电力系统。

b.线圈的磁路芯部中的损耗。在绝大多数电动机中，所述绕组与由一批硅片或其他材料构成的电动机磁路的一个或多个芯部配合。这起两个主要作用：(1)它以机械方式确定绕组的位置，并以适当的方式引导磁场的流动。不幸的是，通过绕组产生的可变磁场不断使芯部重新磁化并且这造成功率损耗。仅由于磁畴的连续再定位芯部温度就会升高。可以通过去掉磁芯部来消除此类功耗。这样的电动机已知晓多年，并且被称为无芯或无铁芯直流电动机。无芯或无铁芯直流电动机由maxonmotor(生产线：maxonre电动机)、faulhaber或portescap(有刷直流无芯电动机28dt12)生产。这种类型的驱动器不仅适用于经典电动机：硬盘驱动器(hdd)中的臂也具有无芯驱动器。由嵌入环氧树脂中的绕组线圈构成的框架在由一对钕磁体产生的磁场中移动。如今，这是此类装置的生产者中广泛使用的解决方案。这种设计的特点是高动态性和高效率。

无芯(无铁芯)直流驱动器的另一个示例可以是扬声器中隔膜的驱动器。在由环形磁体产生的磁场中，有一个非常轻量化的线圈粘在可活动的扬声器隔膜上。如前所示，可以观察到驱动器的很高的动态性。

c.机械换向器中的损耗。机械换向(所谓的基于开关的换向)是基于使用主要由石墨和铜制成的电刷向位于电机转子上的换向器的这些元件提供电流，转子绕组的各个线圈与所述换向器的元件相连。由于电刷-换向器连接处的电阻，我们观察到电能的损耗、以及由于电路的机械接合和脱开而产生的火花。可以通过采用另一种电动机设计来消除这些损耗，即，将绕组放置在定子中并且将磁体放置在电动机转子上，并使用电子换向器来改变绕组线圈中的电流。这种类型的开关称为非接触式开关，并且除了从电动机内部消除有问题的元件之外，其还提高了整个驱动器的可靠性。

d.由于需要用电力来产生激励磁路而引起的损耗。一些电动机设计(例如单相通用交流电动机)装有产生激励磁通量的绕组线圈，激励磁通量与由电动机转子上的线圈产生的磁场反应。今天，该解决方案已广泛应用于家用设备、食品加工机、真空吸尘器等。通过电刷和换向器，为电动机供电的交流电被提供给转子。这迫使在定子中也产生交变磁场。因此，永磁体不用作定子中的磁场激励源，而是由与电动机转子相同的源所提供的电磁绕组线圈。尽管这是一个广泛的解决方案，但它使这种类型的电动机效率低下。通过改变电动机设计，使用电子换向器和用以产生激励磁通量的永磁体(例如，钕磁体)，可以消除该问题。由于这种概念，在电动机绕组中产生的损耗仅在与激励场相互作用的绕组中出现，并且因为激励场是通过永磁体产生的，所以激励场的产生没有损耗出现。

专利说明书us6163097公开了一种包含大多数上述解决方案的设计。但是，应注意以下问题：

a.在该专利公开中，盘包含采用整体环形磁体形式的交替地多极磁化的永磁体，这导致技术问题并减少选择性，或甚至干扰了后续转子盘中各个磁极之间的磁场分布。

b.在该公开中，盘包含作为整体环形磁体的交替地多极磁化的永磁体，这降低了盘在旋转运动过程中抵抗断裂的耐用性。作者并未提供盘的结构加固，例如，通过应用有助于提高转子的最大速度的例如由玻璃纤维制成的外部环。

c.该公开提出了采用具有由极低电阻的铜片、杆或型材制成的环形系统形式的绕组的包装。所述系统在装置的安装过程中非常麻烦。需要按顺序安装转子盘和定子绕组环。此外，定子绕组的极低电阻和转子盘上的许多磁极需要高频改变绕组的电力供给。在作者使用的绕组中发生的趋肤效应将降低系统的效率，并导致功率降低。在这种类型的装置中，适于使用由多芯导体(所谓的绞合铜)制成的绕组。许多具有小于0.4mm的很小直径的芯部，例如200个芯部，消除了趋肤效应，从而在绕组的整个横截面中产生均匀的电流流动。

说明书us5619087公开了一种包含大多数上述解决方案的设计。但是，应注意以下问题：

a.在该公开中，盘包含永磁体的交变磁极，其中每个这种极都由许多具有相对较小尺寸的磁体组成，在这些磁体之间没有接触，并且磁体根据设计具有不同的磁场感应。这是为了减少运行过程中的振动并改善增大的转速下的耐用性。这减小了磁极的有效横截面。这种类型的电动机会产生受限的驱动转矩，这限制了所述电动机的用处。

b.在该公开中，盘以交替方式包含由永磁体制成的磁极，并且磁极力的线被锁定在由固定在电动机的前板(轴承)中的磁性软金属片制成的静环内。这是不利的，因为闭合磁路的环形材料的连续过磁化降低了整个系统的效率。

技术实现要素：

这里所要求保护的发明是为了设计在运行期间具有最小能量损耗的电机。

电机包括定子和转子，定子包含传导电流的绕组的支承板。定子包含传导电流的绕组，所述绕组嵌入以抗拉强度超过1gpa的纤维增强的非磁性复合物中，并且成形为扁平区段的形式，所述扁平区段构成成为全角一部分的角跨度的环的区段，其中该区段的总的相重性产生全角，即180度、120度、90度等。所述区段插入由非磁性复合物制成的转子盘之间，该复合物由抗拉强度超过1gpa的纤维增强，其中，嵌入的磁极在盘的轴向上磁化，所述磁极包括至少一个永磁体，并且其中所述磁极由盘结构的非磁性复合物材料制成的间隔件隔开。另外，每个外部盘和内部盘在周向上具有外部增强环，外部增强环由用抗拉强度超过1gpa的纤维增强的非磁性复合物材料制成；该环通过将纤维和树脂卷绕在盘的圆柱形表面上而制成。所述环机械地增强了所述盘，使得所述盘不会由于离心力的作用而破裂。外部转子盘(第一个和最后一个盘)与内部盘不同，因为外部转子盘还具有由铁磁材料制成的、闭合磁路的环。磁极可以但不一定要具有长方体形状，即在盘的平面中的矩形形状。所述极也可以具有梯形的形状或环形区段的形状，其中梯形的较短的底边位于盘轴线的一侧。重要的是，所述极占据所述盘的相对较大的表面，同时确保所述极之间的桥部的适当厚度，这在电动机高速时会对盘的强度产生重大影响，因为桥部将盘的内部与外环相连从而增强所述盘。

优选地，电机包含测量轴旋转角度的传感器，该传感器包括：角度位置传感器编码盘，所述角度位置传感器编码盘永久地固定在电机的轴上、与电机的盘一起旋转；以及与传感器编码盘配合的、附接到电动机的定子上的光敏元件或磁极传感器。

另外，以抗拉强度超过1gpa的纤维增强的优选的非磁性复合物是基于环氧树脂的复合物。

优选地，轴旋转角测量传感器具有比单个盘上的磁极数更高的分辨率。

优选地，转子盘具有在转子轴和具有磁极的区域之间的垂直于盘表面制成的允许冷却空气进入的孔、以及将冷却空气提供至绕组以允许空气从所提及的孔传送至所述盘之间的空间的孔，以在运行过程中对所述电动机绕组区段进行冷却，其中电动机绕组区段位于所述空间中。

优选地，将绕组区段组合成绕组包，所述绕组包填充多个盘之间的空间。

优选地，壳体在后支承板中具有用于送风管的两个连接器，通过该送风管来供给和抽出冷却电机内部的空气。

附图说明

在附图上呈现了本发明的主题，其中图1是主机的横截面，图1a是具有用于外部空气冷却的孔的主机的横截面，图2是转子的横截面，图3呈现外部盘的视图及所述外部盘沿a-a线的横截面，图4呈现内部盘的视图，图5是绕组区段包的视图，图6是绕组区段的视图，图7是单个绕组相的视图，图8是由单个磁体制成的各种形状的磁极的视图。

具体实施方式

实施例1

外部直径为228mm且长度为246mm的电机包括带有侧盖3的定子、带有电动机轴7的前座轴承4的前支承板1、带有电动机轴7的后座轴承5的后支承板2、以及传导电流的绕组，所述绕组嵌入玻璃-环氧复合物中并且成形为4mm厚的绕组区段20，这些绕组区段构成120度的环形区段。三相绕组处于这些区段内，并嵌入环氧复合物24中：由60×0.1mm的多芯绞合铜制成的相a21、相b22和相c23。绕组20的四十五个区段被分成三个绕组区段包6，其中在绕组区段包框架19内每个包有十五个区段。这些包被插入转子盘之间。转子包括电动机轴7、两个外部盘8和由玻璃-环氧复合物制成的厚度为6mm的十四个内部盘9，从而构成内部盘16的主体和外部盘18的主体，二十四个磁极15被嵌入外部盘和内部盘中、朝着内部盘9的轴向磁化，并且每个磁极包括一个尺寸为30mm×10mm×6mm的长方体钕磁体，所述磁极沿尺寸为6mm的磁性材料n42磁化。分别用增强外部环17和13来增强内部盘9和外部直径为183mm的外部盘8，所述增强外部环由玻璃-环氧复合物制成，通过将玻璃纤维及树脂围绕盘的圆柱形表面卷绕而形成，而转子的外部盘8(第一和最后一个盘)还具有封闭磁路14的由软磁性钢制成的环。所有带有磁极的转子盘均在尺寸上受到保护以防止相对于电动机轴7旋转，并且所述转子盘从一侧由电动机轴7上的轴承表面并且在另一侧由固定转子盘的螺母11而在轴向上保持在转子盘的位置内。外部盘8和内部盘9在其结构中均具有直径为10mm的孔25，从而在运行期间向间隙26提供冷却空气以将冷却空气提供给绕组，所述冷却空气由于离心力而被迫进入绕组区段20周围的空间。电动机轴旋转角测量传感器7包括永久地固定在电机轴上的编码盘12和与传感器编码盘12配合的永久地固定在电动机定子上的光敏传感器10，该光敏传感器的分辨率为电动机轴7每旋转一圈360个脉冲。

由外部控制器供给的、以电动机模式运行的电机，在被供给等于400v的电压时产生101.72kw的机械功率。电流为256a，并且在转速为21080rpm时转矩达到46.08nm。该模式下的电机效率为99.34％±0.05％。

在发电机模式中，在100kw功率下具有非常相似的转速和驱动转矩的电机实现了机械能转换为电能的效率等于99.42％±0.05％。通过原型机获得的结果证实了上述解决方案的应用的可取性。处于0.6％级别的微不足道的损耗允许制造产生高功率并保持较小尺寸的电机，这是最初的目标。

实施例2

实施例1中提到的电机使用梯形形状28的单体钕磁体形式的磁极15而制成，其中梯形的较短底边定位于盘的轴线侧。每个磁体28的尺寸为：梯形的较长底边为12mm、梯形的较短底边为8mm、梯形的高度为39mm、极的厚度为6mm。按照这些尺寸，所述极是磁化的磁性材料n42。上述的磁极15既被应用于十四个内部盘9中，也被应用于两个外部盘8中。

如前所述的由外部控制器供给的、以电动机模式运行的电机在被供给等于400v的电压时产生101.85kw的机械功率。电流为256a，并且在转速为21020rpm时获得的转矩为46.27nm。该模式下的电机效率为99.46％±0.05％。

在发电机模式中，在100kw功率下具有非常相似的转速和驱动转矩的电机，实现了机械能转换为电能的效率等于99.53％±0.05％。较高的效率证实了重新设计形状的磁极15对电机运行的积极作用。

实施例3

在实施例1中描述的电机使用呈环形区段29形状的单体钕磁体的磁极15而构成，该环形区段在盘的轴线侧具有较小环半径。每个磁体29的尺寸为：外部半径为83mm、内部半径为53mm、环的角跨度为9°并且极的厚度为6mm。根据该尺寸，所述极是磁化的磁性材料n42。磁极15既被应用于十四个内部盘9中，也被应用于两个外部盘8中。

如前所述的由外部控制器供给的、以电动机模式运行的电机在被供给等于400v的电压时产生101.91kw的机械功率。电流为256a，并且在转速为19930rpm时转矩达到48nm。该模式下的电机效率为99.52％±0.05％。

在发电机模式中，在100kw功率的非常相似的转速和驱动转矩下的电机，实现了机械能转换为电能的效率等于99.57％±0.05％。如在实施例2中的那样，较高的效率证实了重新设计形状的磁极15对电机运行的积极作用。

实施例4

如在实施例3中提到的电机在后支承板2中设置有附加孔30和31。当以100kw的功率运行时，测得电机内部的温度比实施例3中低12℃。当以温度25℃且每分钟输出30升的空气进行供给时，68℃的温度降至56℃。电机内部降低的温度允许将来增加轴上的机械功率。