[发明专利]具有层压片绕组的电动机

说明书

相关申请

本申请要求于2014年9月16日提交的属于格里(Gery)等人的临时专利申请第62/051,235号的权益。

发明背景

发明领域

本发明总体涉及电机(electric machine)，并且更具体地，涉及采用层压片绕组(LSW)的高效电动机和发电机。

相关技术的描述

随着世界对能量的全球需求加剧，全国和全球规模的电力成本预期大大增加。能量消耗的罪魁祸首是电动机，根据美国能源部得知，电动机消耗所产生的所有美国电力的几乎50％。在美国，电动机每年消耗的电力值为6000亿美元，到2030年这一数字预计将增加至一万亿美元。

自从1888年尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)发明了电动机以来，电动机的基本设计已逐渐改变。目前的电动机制造商通过使用改进的材料和制造过程，在效率上取得了小幅增加，但是由于电力转换为机械运动，所以相当大量的能量仍然损失为热量。解决热量相关的问题可导致额外的能量成本。例如，一些AC感应电动机仅采用耗电风扇来消散由电动机生成的相当多的热量。作为另一实例，较高电动机速度造成热量的量的增加，这对效率造成负面影响(因为由于热量损耗，较少的输入电力被转换为可用机械动力)。

需要一种更高效的、成本效益的电动机来提供电力消耗及相关成本的立即和显著降低。

发明内容

提出了一种电机——适当地，电动机或发电机，与传统机器相比，该电机提供高效率，具有更紧凑的、更轻的设计，并且消散更少的热量。尽管以下讨论指的是电动机，但是应理解，预期该电机包括电动机和发电机。

本电机采用由层压片制成的固定绕组以及围绕绕组排列且响应于由绕组产生的磁场围绕绕组旋转的永磁体。

许多实施方式被描述。‘径向’实施方式采用：径向磁化的至少一个磁体阵列；以及至少一组层压片绕组(LSW)，层压片绕组平行于电动机的旋转轴线放置并且布置为使得磁体在垂直于电动机的旋转轴线的平面中产生磁场。替代地，电动机可布置为‘轴向’实施方式，其中，至少一个磁体阵列被轴向磁化，并且至少一组LSW径向放置在电动机的平面中使得磁体在与旋转轴线对准的垂直轴线上产生磁场。对于径向实施方式和轴向实施方式两者，磁体阵列可布置为海尔贝克(Halbach)阵列；描述了若干可能的海尔贝克阵列布置。

对于径向实施方式和轴向实施方式两者，磁体和绕组同中心布置，其间具有空气间隙。电动机可采用“大空气间隙电环”(LAGER)技术，其中，空气间隙可大于在传统电动机中使用的空气间隙，且LSW位于该间隙内。

对于径向实施方式，绕组(优选地，三组(或更多组)以提供3相(或更多相)电动机)包括：层压金属片，这些层压金属片围绕电动机的旋转轴线径向布置以形成串联连接的同心金属层的连续堆叠；介电绝缘层，用于使每个金属层与其相邻金属层电绝缘。优选地，切口布置为周期性围绕每个LSW，且每个切口平行于旋转轴线延伸并且贯穿所有同心金属层，且每个切口的深度小于LSW的深度，并且相邻切口始于LSW的相对两侧上，这样使得切口在电流围绕LSW流动时，形成用于电流流动的蜿蜒路径。

对于轴向实施方式，绕组(优选地，如上讨论的三相位或更多相位)包括径向放置在电动机的平面中的层压金属片(优选地，沿着蜿蜒路径)以形成串联连接的同心金属层的连续堆叠，其中，介电绝缘层使每个金属层与其相邻金属层电绝缘。

优选地，层压片由诸如铜或铝的导电材料制成。每个绕组中的导体的金属密度远高于由传统电线绕组提供的金属密度，导致更高的力密度。

参考以下附图、描述和权利要求，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面以及优点。

附图的简要说明

图1是本电动机的径向构造的侧视图。

图2是采用护铁的本电动机的径向构造的侧视图。

图3a是采用两个海尔贝克磁体阵列的本电动机的径向构造的侧视图。

图3B是图3a所示的海尔贝克磁体阵列的特写视图。

图4是采用棱柱形磁体的海尔贝克磁体阵列构造的特写视图。

图5是采用矩形磁体的磁体阵列构造的特写视图，其中，每个磁极由相对于彼此成90°磁化的两块制成。

图6是本电动机的轴向构造的立体图。