电机
阅读：608发布：2022-01-09
专利汇可以提供电机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 电机 ，包括一具有一电磁元件的阵列的第一载体和一具有明确了磁极的电磁元件的第二载体，第二载体设置为与第一载体相对移动。一气隙设置为在第一载体和第二载体之间。第一载体的电磁元件包含柱子，在柱子间有槽，一个或多个电气导体在每个槽内，第一载体的柱子具有毫米级的柱子高度。第一载体和第二载体共同明确一电机的尺寸。磁极具有一个毫米级的极间距。 马 达的尺寸、极间距和柱子高度选择为落入一个由尺寸、极间距和柱子高度明确的空间里的区域内，尺寸、极间距和柱子高度提供一个根据每一重量每一励磁 水 平的 力 或 扭矩 的有益效果。，下面是电机专利的具体信息内容。
1.一种电机，包括：
一第一载体，具有一电磁元件的阵列；
一第二载体，具有明确了磁极的电磁元件，第二载体设置为相对于第一载体移动；
一气隙，在第一载体和第二载体之间；
第一载体的电磁元件包含柱子，在柱子之间有槽，一个或多个电气导体在每个槽内，第一载体的柱子具有毫米级的柱子高度；
第一载体和第二载体共同明确电机的尺寸；
磁极具有一个毫米级的极间距S；
机械的尺寸，极间距和柱子高度选择为落入一个由尺寸、极间距和柱子高度明确的空间里的区域内，所述区域被任一项明确；
1)一第一联合体，包括：
a)一第一表面，由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确；
b)一第二表面，由用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确；和
c)一集合，明确为含有位于线段的所有点，所述线段具有一个第一表面上的第一端点和一个第二表面上的第二端点；
不等式的第一集合和不等式的第二集合分别为不等式A和B，或B和C，或C和D的集合，其中不等式A的组用于25毫米的尺寸，不等式B的组用于50毫米的尺寸，不等式C的组用于100毫米的尺寸，不等式D的组用于200毫米的尺寸；或
2)一表面的第二联合体，所述表面由不等式D的集合和尺寸比所述表面大的所有点的对应集合明确，所述所有点的尺寸比所述表面大，但是带有与所述表面内的点对应的极间距和柱子高度；
其中
A从不等式集合的组中被选择，所述不等式的集合具备：
集合A1：
集合A2：
集合A3：
B从不等式的集合的组中被选择，所述不等式的集合具备：
集合B1：
集合B2：
集合B3：
C从不等式的集合的组中被选择，所述不等式的集合具备：
集合C1：
集合C2：
集合C3：
和
D从不等式的集合的组中被选择，所述不等式的集合具备：
集合D1：
集合D2：
集合D3：
2.权利要求1中的电机，其中所述电机包含了以下任一或多个限制：
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是A1，不等式的第二集合是B1；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是A1，不等式的第二集合是B2；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是A1，不等式的第二集合是B3；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是A2，不等式的第二集合是B1；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是A2，不等式的第二集合是B2；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是A2，不等式的第二集合是B3；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是A3，不等式的第二集合是B1；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是A3，不等式的第二集合是B2；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是A3，不等式的第二集合是B3；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是B1，不等式的第二集合是C1；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是B1，不等式的第二集合是C2；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是B1，不等式的第二集合是C3；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是B2，不等式的第二集合是C1；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是B2，不等式的第二集合是C2；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是B2，不等式的第二集合是C3；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是B3，不等式的第二集合是C1；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是B3，不等式的第二集合是C2；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是B3，不等式的第二集合是C3；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是C1，不等式的第二集合是D1；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是C1，不等式的第二集合是D2；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是C1，不等式的第二集合是D3；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是C2，不等式的第二集合是D1；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是C2，不等式的第二集合是D2；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是C2，不等式的第二集合是D3；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是C3，不等式的第二集合是D1；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是C3，不等式的第二集合是D2；
该区域由用于电机的第一尺寸的不等式的第一集合明确的第一表面和用于电机的第二尺寸的不等式的第二集合明确的第二表面的联合所明确，集合明确为包含位于线段上所有点，所述线段在第一表面上具有一第一端点及在第二表面上具有一第二端点，不等式的第一集合是C3，不等式的第二集合是D3；并且
该区域由不等式集合D1明确的表面和对应的尺寸大于该表面的所有点的集合的联合所明确，但是表面内带有与点对应的极间距和柱子高度；
该区域由不等式集合D2明确的表面和对应的尺寸大于该表面的所有点的集合的联合所明确，但是表面内带有与点对应的极间距和柱子高度；并且
该区域由不等式集合D3明确的表面和对应的尺寸大于该表面的所有点的集合的联合所明确，但是表面内带有与点对应的极间距和柱子高度。
3.权利要求1或2中的电机，其中电机是一径向通量机械，具有一气隙直径，并且电机的尺寸是气隙直径。
4.权利要求1或2中的电机，其中电机是一轴向通量机械，具有一平均气隙直径，并且电机的尺寸是平均气隙直径。
5.权利要求1或2中的电机，其中电机是一具有转变方向的线性机械，第一载体在转变方向上具有一第一长度，第二载体在转变方向上具有一第二长度，并且如果第一长度短于或等于第二长度，那么电机的尺寸是第一长度，并且如果第二长度短于第一长度，则是第二长度。
6.权利要求1或2中的电机，其中电机是横向通量机械。
7.权利要求3、4、5或6中的电机，其中电气导体包括一集中的绕组。
8.权利要求3、4、5或6中的电机，其中电气导体包括一分布式绕组。
9.权利要求1-8中任一电机，其中第一载体包括一由一整块磁敏材料构成的定子，每个柱子包括所述定子的一部分。
10.权利要求9中的电机，其中定子包括不可测量的蠕变低于20000磅/平方英寸的材料。
11.权利要求9或10中的电机，其中每个柱子具有一切向宽度，并且定子包括一护铁部分，所述护铁部分具有一等于或小于柱子切向宽度的厚度。
12.权利要求9、10或11中的电机，其中每个柱子具有一切向宽度并且定子包括一护铁部分，护铁部分具有一等于或小于一半的柱子切向宽度的厚度。
13.权利要求1-12中任意一个的电机，其中第二载体包括：
一个由一整块材料构成的环形盘并明确一轴，并且具有一内部边缘和一外部边缘；
周向间隔开自环形盘轴向延伸的第二载体柱子，并且明确了在第二载体柱子之间的第二载体槽；并且
环形盘明确了在内部边缘和外部边缘之间延伸的洞。
14.权利要求1-13中任意一个的电机，其中电机具有一明确了一轴向方向的轴，第二载体具有一内部圆周和一外部圆周，所述内部圆周具有一内部轴向长度，所述外部圆周具有一外部轴向长度，并且所述内部轴向长度不等于所述外部轴向长度。
15.权利要求14中的电机，其中所述内部轴向长度小于所述外部轴向长度。
16.权利要求15中的电机，其中第二载体具有锥形形状。
17.权利要求1-16中任意一个的电机，其中电气导体包括阳极氧化铝导体。
18.权利要求1-17中任意一个的电机进一步包括一连接的冷却剂源为第一载体和第二载体中的一个或两个提供冷却流体。
19.权利要求1-18中任意一个的电机进一步包括一连接的能源供应器以提供至少70安培/平方毫米的电气能量给电气导体。
20.权利要求1-19中任意一个的电机，其中第二载体包括磁体槽，并且第二载体的电磁元件包括通过磁力保持在磁体槽中的永磁体。
21.权利要求20的电机，其中电气导体构成围绕柱子的单层，从柱子径向向外测量。
22.权利要求1-21中任意一个的电机，其中气隙是从0.001英寸到0.010英寸。
23.权利要求1-22中任意一个的电机，其中气隙是从0.005英寸到0.010英寸。
24.权利要求1-23中任意一个的电机，其中电机安装在一机器人臂上。
25.权利要求24中的电机，其中机器人臂的元件为电机构成一个外罩，支撑了第一载体和第二载体。
26.一电机包括一包括电磁元件的定子，定子在一侧具有柱子及在相反的一侧具有一个具有冷却散热片的护铁，所述定子包括一整块的材料，所述材料包含至少一部分柱子和至少一部分冷却散热片。
27.一电机包括一设置为相对于一个或多个包括电磁元件的定子旋转的转子，所述转子包括一个装载了永磁体的永磁体载体、一个输出环、和支撑转子旋转的轴承，所述轴承直接位于在永磁体载体和输出环之间。
28.权利要求27中的电机，其中电机是一轴向通量电机，并且一个或多个定子是两个定子，并且所述转子设置在两个定子之间。
29.权利要求28中的电机，其中轴承通过转子和定子之间的磁力预加载。
30.权利要求28或权利要求29中的电机，其中转子具有两个轴向侧，并且在转子的每个轴向侧上包括磁体，在每个切向导向的轴向侧上包括磁体，并且每个磁体与一个各自的在其他轴向侧的磁体轴向对齐，所述每个磁体的切向导向与另一侧上各自的磁体的切向导向相反。
31.权利要求27-30中的任意一个的电机，其中一个或多个定子包括螺旋形的冷却散热片。
32.一个电机，包括一个转子，所述转子被设置为在轴承上用于在两个定子之间旋转，所述转子通过气隙从所述定子分离，在转子和定子之间的磁力吸引定子到转子，并且在轴承上施加一个预加载荷力。
33.权利要求32中的电机进一步包含一个或多个以下限制：
所述转子具有一位于从磁体径向向内的输出环；并且
所述轴承具有附于所述转子的外部直径(OD)座圈。
34.权利要求32中的电机进一步包含一个或多个以下限制：
所述转子具有一位于从磁体径向向外的输出环；并且
所述轴承具有附于所述转子的内部直径(ID)座圈。
35.权利要求32-34中任意一个电机，其中如果轴承不呈现在组件中，气隙将由于磁力关闭超过50％。
36.权利要求32-34中任意一个电机，其中如果所述轴承不呈现在组件中，所述定子和转子将会接触。
37.权利要求32-34中任意一个电机，其中有一外罩的轴向向内面向的表面，并且所述轴承具有轴向向外面向的轴承座圈，所述轴承座圈接触所述外罩的轴向向内面向的表面，并且外罩的轴向向内面向的表面在磁性载荷下变形，使得轴向向内面向的表面的位置和如果没有轴承呈现的向内面向表面的假设位置之间的位置差大于.002英寸。
38.权利要求26或31中的电机进一步包括任意一个或多个以下限制：
所述柱子在圆周方向上具有一柱子宽度，并且所述散热片具有一大于所述柱子宽度
50％的高度；并且
散热片具有包括与整块材料不同的材料的末梢。
39.权利要求26-38中任意一个电机，其中电机是轴向通量机械。
40.权利要求39中的电机，其中所述冷却散热片是螺旋形的形状。
41.权利要求26-40中任意一个电机具有一由权利要求1中定义的极密度和柱子高度。
42.一电机具有一轴向或径向通量配置，包括：
一具有一电磁元件的阵列的第一载体；
一具有明确了磁极的电磁元件的第二载体，所述第二载体设置为相对于所述第一载体移动；
一在所述第一载体和第二载体之间的气隙；
所述第一载体的电磁元件包含柱子，在所述柱子之间有槽，所述槽在每个槽中具有一个或多个电气导体；
所述第二载体包括柱子和至少一个用于明确了磁极的电磁元件的第一保持元件；并且所述第二载体的电磁元件具有一长度长于使所述第一载体的电磁元件的柱子饱和的必要长度。
43.权利要求42的电机进一步包含任意一个或多个以下的限制：
明确了磁极的所述电磁元件包括永磁体；
所述第一保持元件包括一护铁；
所述第一保持元件包括一侧铁；并且
所述第一保持元件包括一端铁。
44.权利要求42或43的电机，其中所述第二载体进一步包括柱子，并且其中所述柱子和所述第一保持元件通过一刚性连接点连接。
45.权利要求44中的电机，其中所述柱子、第一保持元件和刚性连接点包括一各向同性材料。
46.权利要求42的电机，其中所述刚性连接点包括通量路径限制。
47.一电机具有一轴向或径向通量配置，包括：
一具有一电磁元件的阵列的第一载体；
一具有包括永磁体的电磁元件的第二载体，所述第二载体设置为相对于所述第一载体移动；
一在所述第一载体和所述第二载体之间的气隙；
所述第一载体的电磁元件包括柱子，在所述柱子之间具有槽，所述槽在每个槽中具有一个或多个电气导体；
所述第二载体包括一均匀的刚性元件和柱子，其中柱子包括刚性元件的均匀延伸；并且每个永磁体具有一深度长于使所述第一载体的电磁元件的柱子饱和的必要深度。
48.权利要求47中的电机，其中刚性元件包括护铁、端铁和侧铁中的一个或多个。
49.权利要求47中的电机，其中每个永磁体具有一宽度，并且磁体深度对磁体宽度的比例大于4:1、3:1或2:1。
50.一电机具有一轴向或径向通量配置，包括：
一具有一电磁元件阵列的第一载体：
一具有明确了磁极的电磁元件的第二载体，所述第二载体设置为相对于所述第一载体移动；
一在所述第一载体和所述第二载体之间的气隙；
所述第一载体的电磁元件包含柱子，在所述柱子之间有槽，所述槽在每个槽中具有一个或多个电气导体；并且
所述第二载体包括一均匀的刚性元件和柱子，其中柱子包括刚性元件的均匀延伸；
其中所述第一载体和第二载体的电磁元件设置为使得流过刚性元件的磁通量的部分比流过气隙的磁通量的部分更大。
51.一个电机具有轴向或径向通量配置，包括：
一具有一电磁元件阵列的第一载体；
一具有包括永磁体的电磁元件的第二载体，所述第二载体设置为相对于所述第一载体移动；
一在所述第一载体和所述第二载体之间的气隙；
所述第一载体的电磁元件包含柱子，在所述柱子之间有槽，所述槽在每个槽中具有一个或多个电气导体；并且
所述第二载体包括一均匀的刚性元件和柱子，其中柱子包括刚性元件的均匀延伸；
其中永磁体被磁力所保持。
52.一个电机具有轴向通量配置，包括：
一具有一电磁元件阵列的第一载体；
一具有包括永磁体的电磁元件的第二载体，所述第二载体设置为相对于所述第一载体移动；
一在所述第一载体和所述第二载体之间的气隙；
所述第一载体的电磁元件包含柱子，在所述柱子之间有槽，所述槽在每个槽中具有一个或多个电气导体；并且
所述第二载体包括一均匀的刚性元件和柱子，其中柱子包括刚性元件的均匀延伸；
其中永久在朝向所述第一载体的方向锥形变窄。
53.权利要求52中的电机，其中所述第二载体的柱子在远离所述第一载体的方向锥形变窄。
54.权利要求53中的电机，其中所述第二载体的柱子防止所述第二载体的电磁元件朝向所述第一载体的方向移动。
55.一个电机具有轴向或径向通量配置，包括：
一具有一电磁元件阵列的第一载体；
一具有明确了磁极的电磁元件的第二载体，所述第二载体设置为相对于所述第一载体移动；
一在所述第一载体和所述第二载体之间的气隙；
所述第一载体的电磁元件包含柱子，在所述柱子之间有槽，所述槽在每个槽中具有一个或多个电气导体；并且
所述第二载体包括一均匀的刚性元件和柱子，其中柱子包括刚性元件的均匀延伸；并且其中所述第二载体的电磁元件具有一长度长于使所述第一载体的电磁元件的柱子饱和的必要长度；并且
其中刚性元件包括通量路径限制。
56.一个电机，包括：
一具有一电磁元件阵列的第一载体；
一具有明确了磁极的电磁元件的第二载体，所述第二载体设置为相对于所述第一载体相对移动；
一在所述第一载体和所述第二载体之间的气隙；
所述第一载体的电磁元件包含柱子，在所述柱子之间有槽，所述槽在每个槽中具有一个或多个电气导体；并且
所述第二载体包括一均匀的刚性元件和柱子，其中柱子包括刚性元件的均匀延伸；
其中所述第二载体的柱子包括一个护栏以保持所述第二载体的电磁元件。
57.权利要求42中的电机，其中所述第二载体的电磁元件包括第一和第二端，所述第一端面向朝向所述第一载体，并且所述第二端面向远离所述第一载体，并且其中所述第二端是锥形的。
58.权利要求42-57中的任意一个电机具有如权利要求1中明确的极密度和柱子高度。
59.一个用于电机的转子，所述转子包括：
一个由一整块材料构成的环形盘并且明确一轴，并且具有一内部边缘和外部边缘；
周向间隔的柱子自环形盘轴向地延伸并且明确了柱子之间的槽；并且
环形盘明确了在内部边缘和外部边缘之间延伸的洞。
60.权利要求59中的转子，其中包含以下一个或多个限制：
所述柱子由整块构成；
所述柱子设置在环形盘的两侧；
圆盘的每一侧上的柱子与圆盘的相反侧上各自的柱子在垂直于轴的一平面上投影对齐；洞与槽在垂直于轴的一平面上投影对齐；
洞与槽在垂直于轴的所述平面上投影对齐；
所述洞在环形盘内径向延伸至一些程度；
环形盘明确了连接洞与槽的开口；并且
每个柱子在内部边缘和外部边缘之间延伸。
61.权利要求59或60中的转子，其中每个柱子在内部边缘和外部边缘之间延伸，并且柱子在内部边缘上具有一第一轴向高度并且在外部边缘上具有一与第一轴向高度不同的第二轴向高度。
62.权利要求61中的转子，其中所述第二轴向高度大于所述第一轴向高度。
63.权利要求61或62中的转子，其中所述柱子明确内部边缘和外部边缘之间的直线，相邻的柱子明确实质性地平行线。
64.权利要求63中的转子，其中柱子具有一轴向高度的圆周厚度的倒锥形用于保持磁体。
65.一个用于电机的转子，所述转子包括：
一内部转子部分包括向外投影部件；
一外部转子部分包括向内投影部件；
所述外部转子部分围绕所述内部转子部分设置，使得向内投影部件和向外投影部件相互交叉；并且
永磁体设置在相互交叉的向内投影部件和向外投影部件之间，使得向内投影元件和向外投影元件为永磁体提供通量路径。
66.权利要求65的转子，其中向内投影部件有规律地间隔开，并且向外投影部件有规律地间隔开。
67.在一电机中，权利要求59-66中任意一个转子具有如权利要求1中明确的极密度和柱子高度。
68.一个用于一电机的定子，所述定子包括：
周向间隔开的柱子，明确了在柱子之间的槽，
围绕柱子设置的导电元件，
每个导电元件明确了通过槽的各自选择延伸的各自的电气流动路径，按槽的各自选择的槽的圆周排列的顺序，并且通过槽的各自选择的连续槽向内和向外交替延伸，并且进一步包含一个或多个以下限制：
每个槽的各自的选择具备定子的各自区块中的所有槽；
每个槽的各自选择排除定子的各自区块的每个第三个槽；
导电元件与至少一柱子的径向端部分的片段间隔开，以明确相邻于柱子的径向端部分的轴向流动路径；
至少一些导电元件周向与至少一些明确了槽的柱子间隔开，至少一些导电元件通过所述槽延伸；
在轴向相邻导体元件之间的电气连接点用于串联地连接轴向相邻导体元件的电气流动路径；
至少对于一些导电元件，所述导电元件具有一端翻转和一槽翻转，并且端翻转比槽翻转宽；
至少一些导电元件围绕端翻转具有统一的宽度；并且
所述导电元件构成围绕柱子的单层，从柱子径向向外测量。
69.一个电机中的如权利要求68的定子具有一如权利要求1明确的极密度和柱子高度。
70.一电机，包括：
一具有一电磁元件阵列的第一载体；
一具有明确了磁极的电磁元件的第二载体，所述第二载体设置为相对于所述第一载体移动；
一在所述第一载体和所述第二载体之间的气隙；并且
所述第一载体的电磁元件包括柱子，在柱子之间有槽，其中在对应于一个相邻槽中电气导体位置的一个或多个槽的水平，一个或多个槽中没有电气导体，并构成导管，并且导管与冷却流体的一个源头连接。
71.权利要求70的电机进一步包括任意一个或多个以下限制：
在多个槽的各自水平上的多个槽不带有电气导体并且不带有一电气导体的所述多个槽周期性地间隔；
所述不带有电气导体的多个槽构成用于冷却剂流动的导管；
所述导管与用于排出冷却剂流动的孔轴向地相连；
所述第一载体是一定子，所述第二载体是通过气隙与所述定子轴向地分离的一转子，并且具有电磁元件的一第三定子通过一第二气隙与所述转子轴向地分离；
所述第一载体和第三载体的电磁元件包括永磁体；
所述第一载体是一不带有护铁的定子，所述第二载体包括一第一转子，所述第一载体的电磁元件包括永磁体并且进一步包括一第三载体，所述第三载体包括一通过一第二气隙与所述第一载体分离的第二转子，所述第三载体具有永磁体；
每个电气导体层是一集中的绕组的一部分；
每个导体层被连接以接受一电气励磁的单相；所述柱子具有一n:n-1或n:n+1的磁极比例；并且
至少对于一些导体层或导体层，导体层具有一端翻转和一槽翻转，并且端翻转宽于槽翻转。
72.权利要求70或71的电机具有如权利要求1中明确的一极密度和柱子高度。
73.一个构造用于电机的载体的方法，其中所述载体包括包含一电气导体层的电磁元件，所述方法包括冲压或冲孔所述电气导体层，并且其中所述电气导体层具有可变的厚度，以容纳电气导体层交叉的点。
74.一电机，包括：
一具有电磁元件的第一载体；
一具有明确了磁极的电磁元件的第二载体，所述第二载体设置为相对于所述第一载体移动；
一在所述第一载体和所述第二载体之间的气隙；并且
所述第一载体的电磁元件包含多个电气导体层，所述电气导体层由具有角间隙的阳极氧化铝导体构成，所述角间隙由一涂层涂覆。
75.权利要求74的电机进一步包括任意一个或多个以下限制：
所述涂层包括一介电涂层；
所述涂层包括一聚合物涂层；
所述涂层包括清漆；
每个电气导体层进一步包括一对接触标签；
每个电气导体层进一步包括一对铝接触标签；
所述阳极氧化铝导体还具有一个或多个表面，并且所述表面由涂层涂覆；并且所述电机包括一轴向、径向或横向通量机械。
76.权利要求74或75中的电机具有一如权利要求1中明确的极密度和柱子高度。
77.一与电机组合或用于电机的电气导体具有一在权利要求1中明确的配置，所述电气导体包括第一和第二接触标签；
一硬质阳极氧化铝表面；
一铝传导路径；
和一涂层。
78.权利要求77的所述电气导体其中的涂层是一介电涂层，或所述涂层是一聚合物涂层，或所述涂层是清漆，或所述涂层填充在硬质阳极氧化铝表面的角间隙，或所述第一和第二接触标签包括铝。
79.一种产生用于电机的铝导体的方法，每个铝导体包括第一和第二接触标签、一表面和一传导路径，所述方法包括：
硬质阳极氧化铝导体的表面；
在铝导体的表面施加一液体涂层；
烘烤所述液体涂层。
80.权利要求79的方法进一步包括掩盖所述第一和第二接触标签的步骤，或所述液体涂层包括一聚合物涂层，或所述聚合物涂层包括一环氧树脂涂层，或所述聚合物涂层包括一介电聚合物涂层，或固化所述环氧树脂涂层到一B状态的步骤。
81.权利要求79或80的方法进一步包括步骤：
堆叠所述铝导体；
将所述第一接触标签焊接在一起；及
将所述第二接触标签焊接在一起。
82.权利要求8中的方法其中烘烤所述液体涂层的步骤包括烘烤一铝导体的堆叠。
83.权利要求79-82中任意一方法进一步包括将液体涂层对准铝导体中的边缘间隙的步骤。
84.权利要求83的方法包括以下步骤：
通过在层之间插入一个或多个间隔将铝导体的堆叠的一个或多个层分离；及在烘烤所述液体涂层后从铝导体的堆叠中移除所述间隔。
85.一种产生用于电机的铝导体的方法，每个铝导体包括第一和第二接触标签、一表面和一传导路径，所述方法包括：
硬质阳极氧化所述铝导体的表面；
在铝导体的表面施加一粉末涂层；
烘烤所述粉末涂层。
86.权利要求85的方法进一步包括掩盖所述第一和第二接触标签的步骤，或所述粉末涂层包括聚合物粉末，或所述聚合物粉末包括环氧树脂粉末，或部分硬化所述粉末涂层的步骤。
87.权利要求86的方法进一步包括步骤：
堆叠所述铝导体；
将所述第一接触标签焊接在一起；及
将所述第二接触标签焊接在一起。
88.权利要求87的方法，其中烘烤所述粉末涂层的步骤包括烘烤铝导体的堆叠。
89.权利要求85-88中任意一方法，其中施加粉末涂层的步骤包括用相反带电的粉末喷涂铝导体。
90.权利要求85-89中任意一方法，其中施加粉末涂层的步骤包括将铝导体浸入到具有相反带电的介电粉末的流化床中。
91.权利要求88的方法包括步骤：
使用一个或多个间隔放置间隔以分离铝导体的堆叠的一个或多个层；及
在烘烤粉末涂层之后从铝导体的堆叠移除间隔。
92.权利要求71、88或91中的任意一个方法进一步包括施加一第二涂层的层到铝导体的表面的步骤。
93.一电机，包括：
一包括电磁元件的第一外部载体；
一包括电磁元件的第二外部载体；
一包含电磁元件的内部载体并在所述第一外部载体和所述第二外部载体之间排布，内部载体，或所有第一外部载体和第二外部载体明确磁极；
一间隔元件固定地连接所述第一外部载体到所述第二外部载体；并且
衬套或低摩擦涂层排布在所述内部载体与第一和第二外部载体之间，和在所述内部载体和所述间隔元件之间，用于支撑所述内部载体相对于所述第一外部载体和所述第二外部载体移动。
94.权利要求93的电机，其中所述内部载体明确了磁极且每个所述第一外部载体和所述第二外部载体各包括一整块材料，所述整块材料支撑各自的载体的电磁元件。
95.权利要求93中的电机，其中所述第一外部载体和所述第二外部载体明确了磁极且所述内部载体包括一整块材料，所述整块材料支撑所述内部载体的电磁元件。
96.权利要求93-95中任意一个电机中，其中所述第一外部载体和所述第二外部载体预成型形状，使得在使用中它们在对所述内部载体的磁性吸引的影响下朝着所述内部载体弯曲，但是不在排布在所述内部载体和第一和第二外部载体之间的衬套或低摩擦涂层上施加实质的力。
97.权利要求1-58、70-72、74-76或93-96中任意一个电机，其中电机是无框的电机。
98.一种操作一电机的方法，其中所述电机在任意先前的电机权利要求中明确，并且所述电机在低于200转每分钟的速度下操作。
99.权利要求97的方法，其中所述电机在低于100转每分钟的速度下操作。
100.权利要求97的方法，其中所述电机在低于50转每分钟的速度下操作。
101.权利要求97的方法，其中所述电机在低于25转每分钟的速度下操作。
102.一种操作一电机的方法，其中所述电机在任意先前的电机权利要求中明确，并且所述电机在超过70安/平方毫米的电流密度下操作。
电机
技术领域
[0001] 电机。
背景技术
[0003] 电机通常使用电气传导的线围绕软磁性定子的柱子(齿)缠绕以产生通量。这个类型的马达构造的制造工艺会是耗费时间的和昂贵的。同样地，这样的马达通常具有一扭矩质量比，使它们在移动的执行器应用中相对沉重，例如在机器人中，一个上游执行器必须支撑和加速一个下游执行器的重量。发明内容
[0004] 发明人提出一带有特别适用于机器人的新的结构参数范围的电机，连同一电机的增加的新的特征。例如所述特征涉及电磁元件的结构造成的热耗散的提升、涉及电机的刚度、导体设计、冷却、转子设计、定子设计和操作参数。
[0005] 在一实施例中，一电机，包括一具有一电磁元件的阵列的第一载体和一具有明确了磁极的电磁元件的第二载体，第二载体设置为相对于第一载体移动。一气隙设置为在第一载体和第二载体之间。第一载体的电磁元件包含柱子，在柱子之间有槽，一个或多个电气导体在每个槽内，第一载体的柱子具有毫米级的柱子高度。第一载体和第二载体共同明确一电机的尺寸。磁极具有一个毫米级的极间距。马达的尺寸，极间距和柱子高度选择为落入一个由尺寸、极间距和柱子高度明确的空间里的区域内，尺寸、极间距和柱子高度提供一个根据每一重量每一励磁水平的力或扭矩的有益效果。明确磁极的电磁元件可是永磁体。本实施例可以被应用于任意一公开的机械。
[0006] 在各种实施例中，可包含了以下任一或多个特征：电机可是一个径向通量机械，具有一气隙直径，电机的尺寸是所述气隙直径。电机可是一个轴向通量机械，具有一平均气隙直径，电机的尺寸是所述平均气隙直径。电机可是一具有转变方向的线性机械，所述第一载体在转变方向上具有一第一长度，所述第二载体在转变方向上具有一第二长度。如果第一长度短于或等于第二长度，所述电机的尺寸为所述第一长度，并且如果所述第二长度短于第一长度，则是第二长度。所述电气导体可包括一集中的绕组(winding)。所述电气导体可包括一分布式的绕组。所述第一载体可包括一个由一个整块的磁性敏感材料构成的定子，每个柱子包括所述定子的一部分。定子可包括不可测量的蠕变低于20000磅/平方英寸的材料。定子可包括一磁性敏感材料。每个柱子可具有一个切向宽度，并且定子可包括一护铁(backiron)部分，所述护铁部分具有一等于或小于柱子切向宽度的厚度。所述第二载体可包括一个由一整块材料构成的环形盘并明确一轴，并且具有一内部边缘和一外部边缘，周向(circumferentially)间隔开自环形盘轴向延伸的第二载体柱子，并且明确了在第二载体柱子之间的第二载体槽，并且环形盘明确在内部边缘和外部边缘之间延伸的洞。电机可具有一明确了一个轴向方向的轴，第二载体具有一内部圆周和一外部圆周，所述内部圆周具有一内部轴向长度，所述外部圆周具有一外部轴向长度，并且所述内部轴向长度可不等于所述外部轴向长度。所述内部轴向长度可小于所述外部轴向长度。第二载体可具有锥形形状。电气导体可包括阳极氧化铝导体。可有一连接的冷却剂源(coolant supply)为第一载体和第二载体中的一个或两个提供冷却流体。可有一连接的能源供应器以提供至少70安培/平方毫米的电气能量给电气导体。第二载体可包括磁体槽，并且第二载体的电磁元件可包括通过磁力保持在磁体槽中的永磁体。电气导体可构成围绕柱子的单层，从柱子径向向外测量(measured)。气隙可从0.001”到0.010”。气隙可从0.005’到0.010”。电机可是安装在一个机器人臂上。机器人臂的元件可为电机构成一个外罩，支撑了第一载体和第二载体。电机可是一个横向通量机械。电机可是一个无框的电机。
[0007] 提供有一个电气马达，包括一个包括电磁元件的定子，定子在一侧具有柱子及在相反的一侧具有一个具有冷却散热片的护铁，定子包括一整块的材料，所述材料包含至少一部分柱子和至少一部分冷却散热片。在各种实施例中，可包含以下任一或多个特征：柱子在圆周(circumferential)方向可具有一柱子宽度，并且包含散热片的护铁可具有一大于比所述柱子宽度50％的高度。散热片可具有与整块材料不同的材料的末梢。所述电气马达可是一个轴向通量马达。所述冷却散热片可以是螺旋形的形状。电气马达可具有一个转子，所述转子具有明确了磁极的电磁元件，所述转子被设置为相对于定子旋转，所述磁极具有一个毫米级的极间距S，一在定子和转子之间的气隙，定子的柱子具有一个毫米级的柱子高度，定子和转子共同明确一个电机的尺寸，马达的尺寸、极间距和柱子高度选择为落入一个由尺寸、极间距和柱子高度明确的空间里的区域内，尺寸、极间距和柱子高度提供一个根据每一重量每一励磁水平的力或扭矩的有益效果。
[0008] 还提供有一个电气马达，包括一个设置为相对于一个或多个包括电磁元件的定子旋转转子，所述转子包括一个装载了永磁体的永磁体载体、一个输出环、和支撑转子旋转的轴承，所述轴承直接位于在永磁体载体和输出环之间。在各种实施例中，可包含以下任一或多个特征：所述马达可以是一个轴向通量马达，并且一个或多个定子可以是两个定子，并且所述转子可被设置为在两个定子之间。轴承可通过转子和定子之间的磁力预加载。转子可具有两个轴向侧，并且在转子的每个轴向侧上的包括磁体，在每个切向导向的轴向侧上包括磁体。并且每个磁体与一个各自的在其他轴向侧的磁体轴向对齐，每个磁体的切向导向与另一侧上各自的磁体的切向导向相反。一个或多个定子可包括螺旋形的冷却散热片。
[0009] 还提供有一个电气马达，包括一个转子，所述转子被设置为在轴承上用于在两个定子之间旋转，所述转子通过气隙从所述定子分离，在转子和定子之间的磁力吸引定子到转子，并且在轴承上施加一个预加载荷力。在各种实施例中，可包含以下任一或多个特征：转子可具有一个位于从磁体径向向内的输出环。
[0010] 轴承可具有附于所述转子的外部直径(OD)座圈(races)。转子可具有一个位于从磁体径向向外的输出环。轴承可具有附于转子的内部直径(ID)座圈。如果轴承不呈现在组件中，气隙可由于磁力关闭超过50％。如果轴承不呈现在组件中，定子和转子可接触。可有一个外罩的轴向向内面向的表面，并且所述轴承可具有轴向向外面向的轴承座圈，所述轴承座圈接触所述外罩的轴向向内面向的表面，并且外罩的轴向向内面向的表面可在磁性载荷下变形，使得轴向向内面向的表面的位置和如果没有轴承呈现的向内面向的表面的假设的位置之间的位置差大于0.002。
[0011] 提供有一电机，包括一具有一电磁元件的阵列的第一载体，具有明确了磁极的电磁元件的第二载体，第二载体设置为相对于第一载体移动，一在第一载体和第二载体之间的气隙，第一载体的电磁元件包含柱子，在柱子之间有槽，所述槽在每个槽中具有一个或多个电气导体，第二载体包括柱子和至少一个用于明确了磁极的电磁元件的第一保持元件，并且第二载体的电磁元件具有一深度长于使第一载体的电磁元件的柱子饱和的必要深度。在各种实施例中，可包含以下任一或多个特征：明确了磁极的电磁元件可包括永磁体。第一保持元件可以是一护铁(back iron)。第一保持元件可以是一侧铁(side iron)。第一保持元件可以是一个端铁(end iron)。第二载体的柱子和第一保持元件可通过一个刚性连接点连接。所述柱子，第一保持元件和刚性连接点可包括一各向同性材料。所述刚性连接点可包括通量路径限制。第一保持元件可包括一个均匀的刚性元件并且柱子可包括刚性元件的均匀的延伸。每个永磁体可具有一宽度，并且磁体深度对磁体宽度的比例可大于2:1(m)，大于
3:1，或大于4:1。第一载体的电磁元件和第二载体可被设置为使得流过刚性元件的磁通量的部分比流过气隙的磁通量的部分更大。永磁体可被磁力所保持。所述永磁体可在朝向第一载体的方向锥形变窄。第二载体的柱子可在远离第一载体的方向锥形变窄。第二载体的柱子可防止第二载体的电磁元件朝向第一载体的方向移动。第二载体可包括一均匀的刚性元件，并且第二载体的柱子可包括刚性元件的均匀的延伸，均匀的刚性元件包括通量路径限制。第一载体的柱子可具有毫米级的柱子高度，第一载体和第二载体可共同明确电机的尺寸，磁极可具有一个毫米级的极间距S，并且马达的尺寸、极间距和柱子高度可选择为落入一个由尺寸、极间距和柱子高度明确的空间里的区域内，尺寸、极间距和柱子高度提供一个根据每一重量每一励磁水平的力或扭矩的有益效果。
3:1，或大于4:1。第一载体的电磁元件和第二载体可被设置为使得流过刚性元件的磁通量的部分比流过气隙的磁通量的部分更大。永磁体可被磁力所保持。所述永磁体可在朝向第一载体的方向锥形变窄。第二载体的柱子可在远离第一载体的方向锥形变窄。第二载体的柱子可防止第二载体的电磁元件朝向第一载体的方向移动。第二载体可包括一均匀的刚性元件，并且第二载体的柱子可包括刚性元件的均匀的延伸，均匀的刚性元件包括通量路径限制。第一载体的柱子可具有毫米级的柱子高度，第一载体和第二载体可共同明确电机的尺寸，磁极可具有一个毫米级的极间距S，并且马达的尺寸、极间距和柱子高度可选择为落入一个由尺寸、极间距和柱子高度明确的空间里的区域内，尺寸、极间距和柱子高度提供一个根据每一重量每一励磁水平的力或扭矩的有益效果。
[0012] 还提供有一电机，包括一具有一电磁元件的阵列的第一载体，一具有明确了磁极的电磁元件的第二载体，第二载体设置为相对于第一载体移动，一在第一载体和第二载体之间的气隙，第一载体的电磁元件包含柱子，在柱子之间有槽，所述槽在每个槽中具有一个或多个电气导体，并且第二载体包括一均匀的刚性元件和柱子，其中柱子包括刚性元件的均匀的延伸，其中第二载体的柱子包括一个护栏(relief)以保持第二载体的电磁元件。在各种实施例中，可包含以下任一或多个特征：第二载体的电磁元件可包括第一和第二端，第一端面向朝向第一载体并且第二端面向远离第一载体，第二端是锥形的。第一载体的柱子具有一个毫米级的柱子高度，第一载体和第二载体可共同明确电机的尺寸，磁极可具有一个毫米级的极间距S，并且马达的尺寸、极间距和柱子高度可被选择为落入一个由尺寸、极间距和柱子高度明确的空间里的区域内，尺寸、极间距和柱子高度提供一个根据每一重量每一励磁水平的力或扭矩的有益效果。
[0013] 提供有一个用于电机的转子，所述转子包括一个由一整块材料构成的环形盘并明确一轴，并且具有一内部边缘和一外部边缘，周向间隔的柱子自环形盘轴向地延伸并且明确了在柱子之间的槽，并且环形盘明确了在环形盘内自内部边缘或外部边缘径向延伸的洞。在各种实施例中，可包含以下任一或多个特征：柱子可由整块构成。
[0014] 柱子可设置在环形盘的两侧。圆盘的每一侧上的柱子可与圆盘的相反侧上各自的柱子在垂直于轴的一平面上投影对齐。洞可与槽在垂直于轴的一平面上投影对齐。洞可充分地延伸穿过在内部边缘和外部边缘之间的环形盘。环形盘可明确连接洞与槽的开口。每个柱子可在内部边缘和外部边缘之间延伸。柱子可在内部边缘上具有一第一轴向高度并且在外部边缘上具有一与第一轴向高度不同的第二轴向高度。第二轴向高度可大于第一轴向高度。柱子可明确在内部边缘和外部边缘之间的直线，相邻的柱子明确实质性地平行线。柱子可具有一个轴向高度的圆周厚度的倒锥形用于保持磁体。可有一电机包括转子并且进一步包括一个具有一个电磁元件的阵列的定子，转子具有明确了磁极的电磁元件，转子设置为相对于定子移动，一在定子和转子之间的气隙，定子的电磁元件包含定子柱子，在定子柱子之间有槽，一个或多个电气导体在每个槽内，定子柱子具有一个毫米级的柱子高度，定子和转子共同明确电机的尺寸，磁极具有一个毫米级的极间距S，马达的尺寸、极间距和柱子高度可被选择为落入一个由尺寸、极间距和柱子高度明确的空间里的区域内，尺寸、极间距和柱子高度提供一个根据每一重量每一励磁水平的力或扭矩的有益效果。
[0015] 为一电机提供有一个转子，所述转子包括：一内部转子部分包括向外投影部件；一外部转子部分包括向内投影部件，所述外部转子部分围绕所述内部转子部分设置，使得向内投影部件和向外投影部件相互交叉；并且永磁体设置在相互交叉的向内投影部件和向外投影部件之间，使得向内投影部件和向外投影部件为永磁体提供通量路径。
[0016] 在一实施例中，向内投影部件有规律地间隔开，且向外投影部件有规律地间隔开。
[0017] 提供有用于一电机的一个定子，所述定子包括周向间隔开的柱子，明确了在柱子之间的槽，围绕柱子设置的导电元件，并且每个导电元件明确了通过槽的各自选择延伸的一各自的电气流动路径，按槽的各自的选择的槽的圆周排列的顺序，并且通过槽的各自选择的连续槽向内和向外交替延伸。
[0018] 在各种实施例中，可包含以下任一或多个特征：每个槽的各自的选择可具备定子的个各自区块中的所有槽。每个槽的各自选择可排除定子的个各自的区块中的每个第三槽。导电元件可与至少一柱子的径向端部分的片段间隔开，以明确相邻于柱子的径向端部分相邻的轴向流动路径。可有案例是至少一些导电元件周向与至少一些明确了槽的柱子间隔开，至少一些导电元件通过所述槽延伸。在轴向相邻导电元件之间可有电气连接点用于串联地连接轴向相邻导体元件的电气流动路径。可有案例是至少一些导电元件，所述导电元件具有一端翻转和一个槽翻转，并且端翻转比槽翻转宽。可有案例是至少一些导电元件围绕端翻转具有统一的宽度。导电元件可构成围绕柱子的单层，从柱子径向向外测量。柱子可具有一个毫米级的柱子高度，并且电机可进一步包括一个具有明确了磁极的电磁元件的转子，第二载体设置为相对于定子移动，一气隙在定子和转子之间，定子和转子共同明确电机的尺寸，磁极具有一个毫米级的极间距S，马达的尺寸、极间距和柱子高度可被选择为落入一个由尺寸、极间距和柱子高度明确的空间里的区域内，尺寸、极间距和柱子高度提供一个根据每一重量每一励磁水平的力或扭矩的有益效果。
[0019] 提供有一电机，包括一具有一电磁元件的阵列的第一载体；一具有明确了磁极的电磁元件的第二载体，第二载体设置为相对于第一载体移动；一在第一载体和第二载体之间的气隙，并且第一载体的电磁元件包括柱子，在柱子之间有槽，其中在对应于一个相邻槽中电气导体位置的一个或多个槽的相同水平，一个或多个槽中没有电气导体，并构成导管，并且导管与冷却流体的一个源头连接。
[0020] 提供有一电机，包括一个具有电磁元件的第一载体，一个具有明确了磁极的电磁元件的第二载体，第二载体设置为相对于第一载体移动，一在第一载体和第二载体之间的气隙，并且第一载体的电磁元件包含多个电气导体层，所述电气导体层由具有角间隙的阳极氧化(anodized)铝导体构成，所述角间隙由一涂层涂覆。在各种实施例中，可包含以下任一或多个特征：涂层可以是一介电涂层。涂层可以是一聚合物涂层。涂层可以是清漆。每个电气导体层可进一步包括一对接触标签。该对接触标签可包括铝。阳极氧化铝导体可还具有一个或多个表面，并且所述表面还可由涂层涂覆。电机可包括一轴向通量机械。电机可包括一个径向通量机械。电机可包括一横向通量机械。第一载体的电磁元件可包含柱子，在柱子之间有槽，一个或多个电气导体层被设置为通过每个槽，第一载体的柱子具有一个毫米级的柱子高度。第一载体和第二载体共同明确电机的尺寸，磁极具有一个毫米级的极间距S，并且马达的尺寸、极间距和柱子高度可被选择为落入一个由尺寸、极间距和柱子高度明确的空间里的区域内，尺寸、极间距和柱子高度提供一个根据每一重量每一励磁水平的力或扭矩的有益效果。
[0021] 提供有用于一电机的一个电气导体，所述电气导体包括第一和第二接触标签，一硬质阳极氧化铝表面，一铝传导路径，和一涂层。
[0022] 在各种实施例中，可包含以下任一或多个特征：涂层可以是一介电涂层。涂层可以是一聚合物涂层。涂层可以是清漆。所述涂层可填充硬质阳极氧化铝表面的角间隙。第一和第二接触标签可包括铝。
[0023] 还提供有一种产生用于电机的铝导体的方法，每个铝导体包括第一和第二接触标签，一表面，和一传导路径，所述方法包括硬质阳极氧化铝导体的表面，在铝导体的表面施加一液体或粉末涂层，及烘烤所述液体或粉末涂层。在各种实施例中，可包含以下任一或多个特征：可有一增加的掩盖所述第一和第二接触标签的步骤。所述液体或粉末涂层包括一聚合物液体或粉末涂层。所述聚合物涂层可包括一液体或粉末环氧树脂涂层。所述聚合物涂层可包括一介电聚合物涂层。所述环氧树脂涂层可以是一液体环氧树脂涂层，并且所述方法可更进一步包括所述固化环氧树脂涂层到一B状态的步骤。当所述环氧树脂涂层固化至一B状态时，可包括堆叠所述铝导体，将所述第一接触标签焊接在一起，及将第二接触标签焊接在一起的步骤。烘烤所述液体涂层的步骤可包括烘烤一铝导体的堆叠。可有一增加的将液体涂层对准铝导体中的边缘间隙的步骤。当堆叠铝导体的步骤发生时，并且所述涂层是一液体涂层，增加的步骤可采取通过在层之间插入一个或多个间隔将铝导体的堆叠的一个或多个层分离，及在烘烤所述液体涂层后从铝导体的堆叠中移除所述间隔。所述涂层可以是一粉末涂层并且所述方法可进一步包括部分硬化所述粉末涂层的步骤。当粉末涂层部分硬化时，可包含堆叠所述铝导体，将所述第一接触标签焊接在一起，及把第二接触标签焊接在一起的步骤。烘烤所述粉末涂层的步骤可包括烘烤铝导体的堆叠。所述涂层可以是一粉末涂层，并且施加粉末涂层的步骤可包括用相反带电的粉末喷涂铝导体。所述涂层可以是一粉末涂层，并且施加粉末涂层的步骤可包括将铝导体浸入到具有相反带电的介电粉末的流化床中。当堆叠铝导体的步骤发生时，并且所述涂层是一粉末涂层时，增加的步骤可采取使用一个或多个间隔放置间隔以分离铝导体的堆叠的一个或多个层，及在烘烤液体涂层之后从铝导体的堆叠移除间隔。一第二涂层的层可也施加到铝导体的表面。
[0024] 提供有一电机，包括一包括电磁元件的第一外部载体，一包括电磁元件的第二外部载体，一包括电磁元件的内部载体并在第一外部载体和第二外部载体之间排布，内部载体或所有第一外部载体和第二外部载体明确磁极，一间隔元件固定地连接所述第一外部载体到所述第二外部载体，并且衬套或低摩擦涂层排布在所述内部载体与第一和第二外部载体之间，和在内部载体和间隔元件之间，用于支撑所述内部载体相对于所述第一外部载体和所述第二外部载体移动。
[0025] 在各种实施例中，可包含以下任一或多个特征：所述内部载体可明确磁极，且，每个第一外部载体和第二外部载体可包括一整块材料，所述整块材料支撑各自的载体的电磁元件。所述第一外部载体和第二外部载体可明确磁极且所述内部载体可包括一整块材料，所述整块材料支撑内部载体的电磁元件。所述第一外部载体和第二外部载体可预成型形状，使得在使用中它们在对所述内部载体的磁性吸引的影响下朝着所述内部载体弯曲，但是不在排布在所述内部载体和第一和第二外部载体之间的衬套或低摩擦涂层上施加实质的力。磁极可具有一个毫米级的极间距S，第一外部载体、第二外部载体和内部载体共同明确电机的尺寸，内部载体明确了磁极，并且第一和第二外部载体的电磁元件包含柱子，在柱子之间有槽，一个或多个电气导体在每个槽内，柱子具有一个毫米级的柱子高度，或第一和第二外部载体明确了磁极，内部载体的电磁元件包含柱子，在柱子之间有槽，一个或多个电气导体在每个槽内，柱子具有一个毫米级的柱子高度。马达的尺寸、极间距和柱子高度被选择为落入一个由尺寸、极间距和柱子高度明确的空间里的区域内，尺寸、极间距和柱子高度提供一个根据每一重量每一励磁水平的力或扭矩的有益效果。
[0027] 附图的简要说明
[0028] 现在参考附图描述实施例，其中相似参考特征表示相似元素，通过实例的方式，和其中：
[0029] 图1是一完全的典型的执行器原型的CAD模型。
[0030] 图2是图1中典型的执行器的一截面视图。
[0031] 图3示出了图1中典型的执行器的定子和转子的一个侧视图细节。
[0032] 图4示出了图1中典型的执行器的整体定子和转子的一个原理图。
[0033] 图5示出了图1中典型的执行器的定子和转子的一个简化原理图的截面视图，柱子上带有原理图CAD模型线圈。
[0034] 图6示出了一个线型电机的一个定子的一个非限制的简化典型的实施例。
[0035] 图7示出了图6中定子的一个等距视图。
[0036] 图8示出了图6中定子的一个顶视图和移除上部绝缘层的图7。
[0038] 图10是图6至图9的定子的一个局部视图。
[0039] 图11是图10中示出的横截面的一个细节视图。
[0040] 图12示出一个非限制典型的线性电机的一个等距视图。
[0041] 图13示出了带有内部线的图12的电机。
[0042] 图14示出了图12的移除上部永磁体载体护铁的电机。
[0043] 图15示出了图14的移除上部永磁体载体碟和大部分上部永磁体的电机。
[0044] 图16示出了图15的移除所有永磁体和移除顶部绝缘碟的电机。
[0045] 图17示出了图16的移除电气连接器和移除顶部间隔层的电机。
[0046] 图18示出了图17的移除顶部相位电路导体和移除第二绝缘层的电机。
[0047] 图19示出了图18的移除第二间隔层和移除大部分柱子的电机。
[0049] 图21示出了图20的移除第三相位电路和底部间隔层的电机。
[0050] 图22示出了用于一个轴向通量旋转定子电机的一个非限制典型的实施例的导体电路、柱子和封装复合环。
[0051] 图23示出了图22中定子的一个细节视图。
[0052] 图24一个轴向通量、三个相位的旋转定子和每一相位的一个导体电路，移除封装复合环。
[0053] 图25是一个三相位电路的等距视图，所述三相位电路具有软磁材料的柱子，所述柱子在组件中被铝电路定位。
[0054] 图26是一个图25的爆炸视图。
[0055] 图27是图25和图26的实施例的一个个体层的一个特写。
[0056] 图28是图25和图26的实施例的一个个体层的一个特写。
[0057] 图29是一个单定子电路的一个顶视图细节。
[0058] 图30示出了一个轴向通量电机的截面。
[0059] 图31示出了一个线性电机内的电磁元件(这里，线圈)的一个阵列，所述阵列穿过一气隙面向电磁元件(这里，永磁体)。
[0060] 图32说明了带有一个装载臂的截面的轴向通量电机。
[0061] 图33示出了一个轴向通量电机的一个定子。
[0062] 图34是图33的定子的细节。
[0063] 图35是用于图33的定子的电气导体层的细节。
[0064] 图36是用于图33的定子的电气导体层的进一步细节。
[0065] 图37是用于图33的定子的一个电气导体层的进一步细节。
[0066] 图38示出了图33的定子的电气导体层。
[0067] 图39示出了图33的定子的电气导体层。
[0068] 图40示出了机器人臂的一个实施例，在所述机器人臂的关节上可装备公开的电机的一个实施例。
[0069] 图41示出了机器人臂的一个实施例，在所述机器人臂的关节上可装备公开的电机的一个实施例。
[0070] 图42示出了用于公开的电机的一个实施例的一个磁配置。
[0071] 图43是一个示出一个线性电机的连续的层的细节的第一图。
[0072] 图44是一个示出了一个线性电机的连续的层的细节的第二图。
[0073] 图45是一个示出了一个线性电机的连续的层的细节的第三图。
[0074] 图46是一个示出了一个线性电机的连续的层的细节的第四图。
[0075] 图47示出了连接点的细节，所述连接点用于连接一个线性电机的层至电气励磁的一个多相位源头。
[0076] 图48示出了连接点的细节，所述连接点用于连接一个线性电机的层至电气励磁的一个多相位源头。
[0077] 图49是一个示出了一个线性电机的一个实施例的连续层的第一图。
[0078] 图50是一个示出了一个线性电机的一个实施例的连续层的第二图。
[0079] 图51是一个示出了一个线性电机的一个实施例的连续层的第三图。
[0080] 图52是一个示出了一个线性电机的一个实施例的连续层的第四图。
[0081] 图53示出了一个转子和定子内都带有线圈的电机的一个实施例。
[0082] 图54示出了一个转子和定子内都带有线圈的电机的一个实施例。
[0083] 图55示出了一个磁体海尔贝克阵列的电机的一个实施例。
[0084] 图56示出了一个典型的执行器组件的一个横截面，所述执行器组件带有一个两部分定子、三相位和一个3:2的定子柱子：永磁体比例。
[0085] 图57示出了自图56中实施例的一个详细的横截面视图。
[0086] 图58示出了按照一个转子位置为3:2比例或定子柱子：永磁体的函数绘制的扭矩，演示一个定子相对于另一个旋转的效果。
[0087] 图59示出了图56中典型的实施例的一个爆炸视图。
[0088] 图60示出了图56中典型的实施例的一个部分爆炸视图的一个横截面。
[0089] 图61示出了图56中典型的实施例的一个外罩的一个截面细节视图。
[0090] 图62示出了图56中典型的实施例的一个装配的外罩和定子的一个截面。
[0091] 图63示出了图56中典型的实施例的一个装配的外罩和定子的一个截面，定子上带有第一导体层。
[0092] 图64示出了图63中截面的一个俯视图。
[0093] 图65示出了图56中典型的实施例的相同相位的四个导体层。
[0094] 图66示出了图56中典型的实施例的源自不同相位的三个相邻的导体层的排列。
[0095] 图67示出了图56中典型的实施例的一个装配的外罩和定子的一个截面，导体之间标示有径向流体流动通道。
[0096] 图68示出了一个径向、轴向和圆周的流体流动路径的俯视图，所述路径用于冷却图56中典型的实施例的导体之间的流体。
[0097] 图69示出了图68中穿过定子的一个截面视图，图68示出冷却流体流动路径。
[0098] 图70示出了一个带有两个定子和一个转子的典型的实施例的一个横截面视图。
[0099] 图71示出了图70中在一个截面中示出的导体的典型的实施例中的一个定子。
[0100] 图72示出了带有导体的一个简化定子的一个截面视图。
[0101] 图73示出了一个定子上的导体的一个典型配置，所述定子中导体不跳过槽。
[0102] 图74示出了一个定子上导体的一个典型的配置，定子中的一些导体带有可变的导体宽度。
[0103] 图75示出了图74中导体的四层的一个爆炸视图。
[0104] 图76示出了带有多层厚度流体流动的隙的导体的一个典型的配置。
[0105] 图77示出了一个典型的装配方法中导体层的一个配置。
[0106] 图78示出了不带有径向流体流动的隙的导体的一个典型的配置。
[0107] 图79示出了一个带有弯曲的宽度可变的柱子的定子的一个典型的实施例。
[0108] 图80示出了一个转子的一个典型的实施例，转子带有面向切向的永磁体和径向延伸的通量路径部件。
[0109] 图81示出了图80中转子的一个细节视图。
[0110] 图82示出了图80中在朝内部件和转子的内部部分之间的结构连接点。
[0111] 图83示出了图80中在朝外部件和转子的外部部分之间的结构连接点。
[0112] 图84示出了图80中移除了磁体的转子的一个细节视图。
[0113] 图85示出了图80中转子的一个放大视图，反映了一个典型的装配方法。
[0114] 图86示出了图60中转子的一个视图，转子带有内部转子环和以黑色示出的朝外投影的通量部件。
[0115] 图87示出了一个转子的一个典型的实施例，转子包括两个轴向半部和锥形磁体。
[0116] 图88示出了图87中转子的一个截面视图。
[0117] 图89示出了图87中转子的一个爆炸视图。
[0118] 图90示出了图87中转子中磁体的平面视图，示出了磁体的极性。
[0119] 图91示出了图87中在转子的朝外部件和外部部分之间的结构连接点。
[0120] 图92示出了图87中的转子，转子带有将转子的半部保持在一起的一个外部环。
[0121] 图93示出了一个典型的实施例的一个爆炸视图，实施例包括两个转子半部和两个定子半部。
[0122] 图94示出了图93中实施例的一个横截面视图。
[0123] 图95示出了图93中示出的实施例中的一个定子。
[0124] 图96示出了图93中实施例的定子和基板的一个爆炸视图。
[0125] 图97示出了图93中实施例的一个截面视图。
[0126] 图98示出了一个带有两个转子半部和一个定子的典型的实施例的一个横截面视图。
[0127] 图99示出了图98中典型的实施例的一个截面视图。
[0128] 图100示出了一个机器人臂的一个典型的配置，机器人臂具有一系列的电机，电机作为执行器被沿着臂分隔。
[0129] 图101示出了一个安装配置，用于一个机器人臂上的一个电机。
[0130] 图102示出了一个转子配置的一个实施例。
[0131] 图103示出了一个叠层的柱子定子的一个典型的配置。
[0132] 图104示出了一个定子的一个典型的实施例的一个截面视图，定子带有径向对齐的柱子叠层。
[0133] 图105示出了一个叠层的柱子构造的一个典型实施例，柱子构造带有延伸穿过护铁的柱子，带有作为机械拨出停止件的锥形倒钩。
[0134] 图106是图105中示出的实施例的一个截面视图。
[0135] 图107是图105中示出的实施例的一个截面视图，示出了在叠层和造成的一部分磁通量路径之间的绝缘的方式。
[0136] 图108是一个原理图图样，示出阳极氧化一个锋利的边缘的效果。
[0137] 图109是一个定子截面的一个原理图图样，定子截面包括带有圆形的边缘的导体。
[0138] 图110是一个定子截面的一个原理图图样，定子截面包括带有锋利的边缘的导体。
[0139] 图111是堆叠的平的导体的两个相邻层的一个透视视图，导体装配前并排示出。
[0140] 图112是一个原理图图样，示出了一个涂覆了的导体的一个实例，导体带有覆盖一个阳极氧化的导体的表面的介电涂层。
[0141] 图113是图112的导体的一角的一个特写。
[0142] 图114是一个透视图，示出了导体堆叠在一起进入层中，导体对在定子柱子之间堆叠。
[0143] 图115是一个原理图图样，示出了一个涂覆导体的一个实例，完全覆盖锋利的边缘上的隙。
[0144] 图116是一个原理图图样，示出了一个涂覆导体的一个实例，不只是完全覆盖锋利的边缘上的隙。
[0145] 图117是一个原理图图样，示出了图115的一个涂覆导体的一个实例，涂了一个进一步的聚合物层。
[0146] 图118示出了一个装配的定子和导体的一个截面视图，导体带有一个在一个或多个导体层之间的一个间隔，导体层在一个或多个槽中。
[0147] 图119示出了导体和间隔的一个截面视图，在除去间隔和粉末边缘涂层接触以及导体相互粘附和/或粘附至柱子的侧壁之前。
[0148] 图120示出了移除了一个间隔元的定子的一个简化视图。
[0149] 图121示出了制造阳极氧化导体的一个方法。
[0150] 图122示出了制造阳极氧化导体的一个方法的一个进一步的细节。
[0151] 图123示出了一个锥形转子的一个实施例的一个横截面。
[0152] 图124示出了图123中实施例的一个特写的横截面视图。
[0153] 图125示出了图123中实施例的一个特写的横截面视图。
[0154] 图126示出了图123中实施例的一个特写的横截面视图。
[0155] 图127示出了图123中实施例的一个特写的横截面视图。
[0157] 图129是图128的执行器的一个截面视图，示出了一个内部转子在两个定子之间沿着中心平面。
[0158] 图130是图128的执行器的一个定子和外罩组件的一个等距截面视图，图128带有分层的导体的一部分截面。
[0159] 图131是图128或执行器的一个定子、内部外罩、外部外罩和分层导体的一个轴向视图。
[0160] 图132是图128的实施例的转子元件的一个等距视图。
[0161] 图133是一个转子和定子的一个侧视图，带有一个磁体排列的实例，其中相邻的磁体是相反地切向极化。
[0162] 图134是一个执行器的一个透视视图，执行器包含一个分离部件用于分离两个定子。
[0163] 图135是图128的执行器的定子的另一个截面视图，示出了一个穿过冷却散热片的磁通量路径。
[0164] 图136是一个带有冷却散热片的定子的一个截面视图，冷却散热片示出了用于在柱子之间的一个对角线的磁链的一个横截面面积。
[0165] 图137是一个定子的一个简化截面视图，定子带有圆周的冷却散热片。
[0166] 图138是一个执行器的一个截面视图，执行器包含一个分离部件，分离部件配置用于减少内部轴承上的预加载荷。
[0167] 图139是一个执行器的一个截面视图，执行器包含一个分离部件，分离部件配置用于增强内部轴承上的预加载荷。
[0168] 图140是一个执行器的一个截面视图，执行器具有密封的冷却通道。
[0169] 图140A是一个实施例的一个透视视图，实施例具有半圆形的冷却通道。
[0170] 图140B是一个实施例的一个横截面视图，实施例带有两个定子和一个转子，带有通过一个内部直径刚性连接点连接的一个外罩。
[0171] 图140C是图140B中示出的实施例的一个放大的横截面视图。
[0172] 图141是一个集中的通量转子的一个线性实施例的一个简化截面视图。
[0173] 图142是一个集中的通量转子的一个模型，转子带有示出磁通量线的护铁。
[0174] 图143是一个集中的通量转子的一个模型，转子带有示出磁通量线的护铁，进一步示出元件长度。
[0175] 图144是穿过一个轴向通量集中的通量转子的一个片段的一个横截面，转子带有锥形的磁体和通量路径限制。
[0176] 图145是一个轴向通量集中的通量转子的一部分的一个特写的截面视图，转子带有延伸长度的磁体。
[0177] 图146是一个带有定子的径向通量集中的通量转子的一个实施例的一个简化的倾斜的横截面。
[0178] 图147是图146中示出的径向通量集中的通量转子和定子的一个简化截面视图。
[0179] 图148是图146中示出的集中的通量转子的一个简化的倾斜的横截面，进一步示出了铣刀(mills)。
[0180] 图149是一个集中的通量转子的一个模型，转子带有多样几何体的护铁，示出了磁通量线。
[0181] 图150是一个径向通量集中的通量转子的一个实施例的一个简化的倾斜的横截面，转子带有转子护栏和锥形的转子端。
[0182] 图151是一个带有端铁的集中通量转子的一个轴向通量的定子-转子-定子配置的一个实施例的一个简化爆炸截面视图。
[0183] 图152是一个带有护铁、端铁和通量路径限制的集中通量转子的一个轴向通量的定子-转子-定子配置的一个实施例的一个简化爆炸截面视图。
[0184] 图153是一个带有端铁和通量路径限制的集中通量转子的一个轴向通量的定子-转子-定子配置的一个实施例的一个简化爆炸截面视图。
[0185] 图154是一个带有端铁、通量路径限制和护铁的集中通量转子的一个轴向通量的定子-转子-定子配置的一个实施例的一个简化爆炸截面视图。
[0186] 图155是一个带有护铁和端铁的集中通量转子的一个梯形的定子-转子-定子配置的一个实施例的一个简化爆炸截面视图。
[0187] 图156是图155示出的实施例不带有护铁的一个简化爆炸截面视图。
[0188] 图157是带有端铁的集中通量转子的一个梯形的转子-定子-转子配置的一个实施例的一个的简化爆炸截面视图。
[0189] 图158是图157示出的带有护铁、不带有端铁的实施例的一个简化爆炸截面视图。
[0190] 图159是一个带有护铁和端铁的转子-定子-转子线性通量机械的实施例的一个简化透视图。
[0191] 图160是图159示出的不带有护铁的实施例的一个简化透视图。
[0192] 图161是一个带有护铁的线性通量机械的一个转子-定子-转子配置的一个实施例的一个简化透视图。
[0193] 图162是一个带有端铁的线性通量机械的一个转子-定子-转子配置的一个实施例的一个简化透视图，示出了转子的一个倾斜横截面。
[0194] 图163是一个带有中断的转子柱子的轴向马达集中通量转子的一个模型。
[0195] 图164是图164示出的一个示出了磁通量线的轴向马达集中通量转子的一个模型。
[0196] 图165是一个横向通量机械的实施例的横截面，其中通量沿气隙径向方向穿过。
[0197] 图166A是图165中示出的一个横向通量机械的实施例的定子的一个透视图。
[0198] 图166B是图165中示出的一个横向通量机械的实施例的转子的上部的一个透视图。
[0199] 图167是一个横向通量机械的一个实施例的横截面，其中通量沿气隙轴向方向穿过。
[0200] 图168是图167中示出的一个横向通量机械的实施例的定子截面的一个透视图。
[0201] 图169是图168中示出的一个横向通量机械的实施例的转子的上部的横截面。
[0203] 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的变化图形。
[0204] 图170C示出了一系列电机恒定温度扭矩对于槽间距和柱高度的函数。
[0205] 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一加权函数的值随槽间距和柱高度的变化。
[0206] 图170E示出了对于模拟的一系列马达，在固定电流密度下Km"随着槽间距和柱高度变化。
[0207] 图170F示出了对于模拟的一系列马达，在固定电流密度下KR"随着槽间距和柱高度变化。
[0208] 图171示出了相对于区域中其余的几何形状，对于200mm大小的机械有益于KR"的范围和一条KR">1.3的边界线。
[0209] 图172示出了相对于区域中其余的几何形状，对于200mm大小的机械有益于KR"的范围和一条KR">1.5的边界线。
[0210] 图173示出了相对于区域中其余的几何形状，对于200mm大小的机械有益于KR"的范围和一条KR">1.8的边界线。
[0211] 图174示出了相对于区域中其余的几何形状，对于100mm大小的机械有益于KR"的范围和一条KR">1.5的边界线。
[0212] 图175示出了相对于区域中其余的几何形状，对于100mm大小的机械有益于KR"的范围和一条KR">1.7的边界线。
[0213] 图176示出了相对于区域中其余的几何形状，对于100mm大小的机械有益于KR"的范围和一条KR">1.9的边界线。
[0214] 图177示出了相对于区域中其余的几何形状，对于50mm大小的机械有益于KR"的范围和一条KR">2.2的边界线。
[0215] 图178示出了相对于区域中其余的几何形状，对于50mm大小的机械有益于KR"的范围和一条KR">2.5的边界线。
[0216] 图179示出了相对于区域中其余的几何形状，对于50mm大小的机械有益于KR"的范围和一条KR">2.9的边界线。
[0217] 图180示出了相对于区域中其余的几何形状，对于25毫米大小的机械有益于KR"的范围和一条KR">3.3的边界线。
[0218] 图181示出了相对于区域中其余的几何形状，对于25毫米大小的机械有益于KR"的范围和一条KR">3.4的边界线。
[0219] 图182示出了相对于区域中其余的几何形状，对于25毫米大小的机械有益于KR"的范围和一条KR">3.6的边界线。
[0220] 图183是一示出对于一马达系列，在转子转速为200转每分钟、无施加电流时，涡旋电流和磁滞损耗的和通过一范围的槽间距的图形。
[0221] 图184是一示出对于24槽叠M-19和固体M-19定子，在施加电流密度为6安/平方毫米时扭矩的图形。
[0222] 图185是一示出了24槽固体M-19定子的单个和总定子损耗的图形。
[0223] 图186是一示出了108槽固体M-19定子的单个和总定子损耗的图形。
[0225] 图188是一示出了在模拟中对于各种马达扭矩-重量比较的图形，其中定子中使用了非常强的NdFeB N52永磁体。
[0226] 图189是一示出了对于各种马达的扭矩比较的图形。
[0227] 图190是一示出了对于不同马达定子损耗的比较的图形。
[0228] 图191示出了一种通过一流动通道冷却执行器的方法。
[0229] 图192是一个执行器组件的实施例的截面视图。
[0230] 图193A是图192的执行器组件的一个特写截面视图。
[0231] 图193B是对图193A的执行器组件截面视图中衬套或低摩擦涂层的进一步特写。
[0232] 图194是图192的一个定子和执行器组件的固定环的一个截面视图。
[0233] 图195是图192的用于执行器组件的一个定子的一个实施例的特写视图，箭头标示如何将导体设置于延伸顶部的柱子上。
[0234] 图196是图192的执行器组件移除一个定子和对应的衬套或低摩擦涂层的一个特写截面视图。
[0235] 图197是用于图192的执行器组件的一个永磁体载体的一个截面视图。
[0236] 图198是图192的执行器组件的一个转子和定子的一个特写截面视图。
[0237] 图199A是图192的执行器组件的定子和转子的柱子的一个轴向等距视图。
[0238] 图199B是图199A的执行器组件的定子和转子的柱子的进一步特写。
[0239] 图200示出了一个使用无框的马达/执行器的机器人臂关节。
[0240] 图201显示了无框的马达/执行器和机器人臂的一个横截面视图。
[0241] 图202示出了无框马达/执行器定子、转子和外罩组件的截面视图的一个特写。
[0242] 图203示出了无框马达/执行器机器人臂组件的一个爆炸视图。
[0243] 图204显示了通过外罩观察定子和转子上的标签特征的截面视图；图205列出向上、越过、向下的组件移动和标签特征一起用以固定转子。
[0244] 图206示出了用标签特征固定转子的截面视图的一个特写。
[0245] 图207示出了通过外罩显示用定子上的标签特征固定定子的一个截面视图。
具体实施方式
[0246] 详细说明
[0247] 在不脱离权利要求所覆盖的范围的情况下，可以对在此描述的实施例作出不重要的修改。在权利要求中，词语"包括"以其包含的意义使用，并且不排除呈现的其它元件。在权利要求特征之前的不定冠词"a"和"an"不排除呈现多于一个的特征。这里描述的每一个单独特征可以在一个或多个实施例中使用，并且不是仅凭借在此描述，对所有由权利要求明确的实施例都进行必要的解释。
[0248] 定义
[0249] 在通篇文本中所使用的几个术语会被第一次明确。
[0250] 在电机的上下文中此处所使用的载体，当指旋转机械的时候，可包括定子或转子。
[0251] 此处使用的转子可以是圆形的。转子还可指线性马达的电枢和反应轨道。定子可以是圆形的。定子还可指线性马达的电枢和反应轨道。
[0252] 齿可以指柱子。
[0253] 在电气马达中，定子或转子中的一个可具有由围绕柱子缠绕的线圈明确的换向电磁体阵列，而定子或转子中的另一个可具有由永磁体或线圈或线圈和永磁体明确的磁极。
[0254] 可将永磁体与转子和/或定子上的电磁体进行组合以将通量加入到系统中。PM指永磁体，EM指电磁体。
[0255] 电磁元件可包括永磁体、柱子(齿)、由磁柱明确的槽，磁柱可以是软磁柱，以及电气导体。任何实施例中一个载体具有槽和柱子，其他载体可具有用于电磁元件的永磁体，并且对于任何这样实施例，术语“电磁元件”可替换为术语“永磁体”。在某些案例中，例如在集中的通量转子实施例中，磁极可由与相邻柱子连接的永磁体所明确，其中磁场由永磁体建立。
[0256] 除非另有说明，“通量”指的是磁通量。
[0257] 分数槽马达是带有每相每极的分数数量槽数的马达。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，则该马达为分数槽马达。
[0258] 载体可通过框架或轴承支撑用于与另一个载体相对移动，并且轴承可以是滑动、滚筒、流体、气或磁性轴承。轴向电机是一种磁通量链发生穿过轴向气隙的电机，并且载体是以圆盘的形式同轴并排构成。第一载体可被设置为相对于另一个载体移动，其中任一载体由框架、外罩或其它元件支撑，而另一载体相对于第一载体移动。
[0259] 径向电机是一种导向的气隙使得磁通量是径向导向的电机，并且载体同心安装，一个在另一个外侧。线性执行器在结构上与轴向通量或径向通量旋转马达的截面类似，其中移动方向是直线而不是弯曲的路径。
[0260] 梯形电机是一种轴向和径向通量机械组合的电机，其中气隙的平面位于轴向和径向配置中气隙构成的平面之间的角度半途中。
[0261] 旋转机械的气隙直径定义为垂直于气隙表面中心的旋转轴的直径。在径向通量马达中，所有的气隙都具备相同直径。如果气隙表面是如轴向通量马达中的圆盘形状的片，平均气隙直径是内部直径和外部直径的平均值。对于其他如对角线的或弯曲的表面的气隙表面，平均气隙直径可以按照气隙横截面视图中的平均气隙直径建立。
[0262] 对于一个径向通量马达，气隙直径指转子内部直径和定子外部直径的平均值(对于一个外部转子径向通量马达)或转子气隙外部直径和定子气隙内部直径的平均值(对于一个内部转子径向通量马达)。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。对于一个轴向通量机械，气隙直径被定义为永磁体内部直径和永磁体外部直径和电磁体内部直径和电磁体外部直径的平均值。
[0263] 一个电机的尺寸是指在此明确的轴向通量机械或径向通量机械的气隙直径或线性机械的载体的转变方向的长度。对于线性机械，其中一个载体长于另一个载体，该长度就是较短载体的长度。为了参考边界不等式使用，旋转机械的尺寸根据直径给出，但对于线性机械，其尺寸为对应于旋转机械的圆周的长度。
[0264] 因此，线性马达的尺寸X与相应等式中旋转马达的尺寸Y相关，为X＝pi*Y。出于公开范围的目的，作为一般原理且包含横向通量机械，当被投射到垂直于旋转轴的平面上时，任意旋转电机的尺寸定义为由磁性活跃的气隙所明确的最大和最小直径的平均值。
[0265] 定子的后表面定义为定子上相对于磁性活跃气隙表面相反侧上的表面。在径向通量马达中，后表面对应于外部转子配置的定子的内表面，或内部转子配置中的定子的外部直径表面。在轴向通量马达中，定子的后表面是定子的轴向外表面。
[0266] Km定义为失速扭矩除以马达电阻损耗的平方根。在本专利文件中，提出使用Km除以马达的活跃磁性质量(mass)来评估马达性能，在本公开文本中指KR或KR。活跃磁性质量由转子和定子质量组成，如无框马达制造商通常申报的，包括磁体、线圈、齿和护铁。对于低电机质量有益于总体功耗的应用中，例如机器人中，KR度量可用于评估马达性能。
[0267] 在一些案例中，在整个文本中使用Km和KR与尺寸无关的相似物，称为Km"和KR"。
[0268] 尺寸相关与尺寸无关度量之间的转换是： 和
[0269] 其中D是平均气隙直径，L是径向齿长度。对于给定的马达尺寸，D和L在分析(analysis)中固定，因此KR或Km与KR”或Km”成比例。因此，在总体上有关于KR趋势的陈述同样隐含地应用于KR”。
[0270] 槽密度是槽数量除以平均气隙直径的机械的圆周长度。如果槽的间距变化，则使用设备的平均槽密度。槽密度同样可以由槽间距的倒数表示。它是一种在气隙直径(或它的相似物)上的沿气隙每毫米的圆周长度上有多少槽发生的测量。对于旋转马达，其具有以下等式：
[0271]
[0272] 其中Ns是槽的数量，且DAG是气隙的直径。对于线性马达的案例，这个公式的分母可以替换为沿转变方向上的载体的长度。
[0273] 极密度是极的数量除以平均气隙直径的机械的圆周长度。如果极间距变化，则使用设备的平均极密度。极密度同样可以由极间距的倒数表示。极间距定义为在一个一极性的永磁体极的中心至具有相反极性的相同载体上下一个永磁体极的中心之间的平均气隙的平均距离，沿移动方向被测量。在旋转马达中这个距离是在平均气隙直径上测量的圆周间距，DAG。它是一种在气隙直径(或相似物)上沿气隙每毫米的圆周长度上有多少磁极发生的测量。对于旋转马达，具有以下等式：
[0274]
[0275] 其中Np是极的数量，DAG是气隙的直径。对于线性马达的案例，这个公式的分母可以替换为沿转变方向上的载体的长度。
[0276] 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。所以对于三相机械N可以是3、6、9、12等。对于集中的绕组，槽的数量可以变化但必须是相位数量的倍数。它不取决于极的数量，除了槽和极的特定组合可以产出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。
[0277] 导体体积可以指单个定子的单位长度的槽面积。所述槽面积是在平面中槽的横截面面积，该平面正交于齿但不平行于载体的相对移动的平面。在轴向马达中，这个平面可以垂直于穿过槽的半径。槽面积有效的明确了可以结合到定子设计中的最大导体体积，并且将填充系数尽可能得高以利用所有导体可用空间通常是马达设计者目标。
[0278] 由于定子的最大导体体积根据槽面积来明确，任何具有最大导体体积或槽面积的定子必须具有槽和齿以明确槽。对于明确旋转马达的这个参数为：
[0279]
[0280] 其中As是单个槽的横截面面积，或为具有变化槽面积的定子设计的单个槽的平均面积。
[0281] 作为相对精确的近似，As可由齿的高度ht乘以槽的平均宽度ws计算得到，使得以上等式变成：
[0282]
[0283] 这些定义与尺寸无关。可以用于表征任何电机。
[0284] 极间距和齿高度可用于明确特定的定子或转子几何形状。由于参数与尺寸无关，因此此处公开的有益效果的测量方法同样与尺寸无关，根据单位面积受力和单位质量受力描述，其中质量指定子和转子的质量，包括任意磁体和线圈，使得对任意尺寸的旋转马达的扭矩和单位质量扭矩可以通过一个适当的包含气隙半径的倍增系数来建立。对于任意两个具有相同气隙直径的马达，扭矩对力/面积和扭矩密度对力/质量的图形会具有相同的轮廓。
[0285] 冷却通道是明确冷却流体的流动路径的任意结构，包含气体流动或液体流动，比如由散热片所明确的通道，或是槽中的空闲空间，或是通过结构或围绕结构的导管。
[0286] 槽深度或柱子高度还可用于代替导体体积。柱子高度也称为齿高度或槽深度，是槽中导体可占据的多个横截面面积的替代。虽然槽可有多种形状，比如弯曲的或锥形轮廓，槽高度是基于最好地呈现可被导体占据的槽的总面积的最接近的矩形近似。这个尺寸不包括特性例如加入齿高度的极靴而不实质性地加入槽面积。对于横向通量马达，柱子高度定义为直接与导体线圈相邻、垂直于线圈绕组的方向的柱子的部分。
[0287] 马达系列是一通过分析呈现的马达形状的集合(set)，其具有相同的结构和绕组，但有一或两个不同点，例如极间距的范围或柱子高度的范围。
[0288] 转子极的数量等于穿过气隙交替的极性磁通量区域的数量。例如，在永磁体转子的表面，极的数量由交替极性永磁体的数量决定。然而，极也可以通过多组磁体创造，例如以海尔贝克阵列，通过电磁体，或电磁体和永磁体的组合。导体层是构成为单元的一电气导体，其建立了俯视图中观察导体时与其自身不相交的导电路径。
[0289] 导体层可因此以最小或无塑性变形的层直接围绕柱子放置。每个导体层占据了槽的不同水平的不同部分，例如对应于轴向通量机械中不同轴向位置或径向通量机器中不同径向位置。在一些实施例中，导体层可由带有足够刚性的材料制成，使得其可作为单元放置在柱子上和槽中，而不是单独地螺旋缠绕在柱子上。
[0290] 直流驱动马达的连续失速扭矩是在零速度的连续扭矩输出，其中对于给定的冷却方式，即在最大允许电气导体温度下所产生的热和耗散的热达到平衡。
[0291] 集中的绕组包括单独的缠绕的柱子或任何当通电时导致相邻柱子产生交替极性的绕组配置。可以理解的是，不是所有柱子在所有时间与相邻柱子是极性相反的。然而，当马达通电时，一个集中的绕组配置会导致大部分柱子在大部分时间对于一个或所有相邻柱子是相反的极性。集中的绕组是由摩擦槽绕组构成，其中每相每极的槽的比例少于一个。
[0292] 术语“固体定子”指作为电机的定子的均匀的磁敏支撑结构。
[0293] 典型的径向通量电机
[0294] 图1示出了一个带有一个外部外罩1012和内部外罩1014的完全典型的执行器1010原型的CAD模型。内部外罩1014是固定(或参照)部件，并且外部外罩1012是旋转部件。外罩可由任何刚性材料制成，例如但不限于铝、钢或塑料。典型的执行器1010包含一个轴承/密封圈1016和输出安装洞1018。图1中所示原型可产生高扭矩重量比例。这对于例如但不限于机器人的应用来说是重要的。图1中示出的设计具有槽密度和柱子高度，其在槽密度和柱子高度的定义内被认为提供了根据KR的有益效果，因此尤其适合在机器人应用中使用。
[0295] 图2示出了相同典型的执行器1010的截面视图，带有一个附于内部外罩1014的内部定子1020和一个附于外部外罩1012的外部转子1022。转子1022包括附于一个转子轭1026的永磁体1024。定子1020包括附于一个定子轭1030的定子齿1028。定子1020由一种软磁材料制成，例如但不限于叠层的电气钢。固体材料可用于定子1020，例如但不限于展示减小涡旋电流和/或减小磁滞的粉末状软磁材料。由于这个设备的横截面中通量路径不寻常地窄，会减小涡旋电流损耗，固体钢或铁可在特定低速的应用中以可接受的性能用于定子1020。图2中截面视图示出了简化的轴承1016，并且在定子1020上没有线圈。
[0296] 图3示出了定子1020和转子1022的侧视图细节(为插图的清晰，此图中没有示出线圈)。图4示出了整体定子1020和转子1022的原理图，永磁体1024在转子1022上但在定子2010上没有线圈。
[0297] 例如，槽密度的范围是0.16～0.5和更高，并且考虑到槽的宽度与齿相同不常见，对于一个200毫米宽的机械可以设置2毫米的齿宽。更宽或更窄的齿可以被使用。更窄的齿的优点是，由于齿更接近正常马达叠层的厚度，固体材料可以以最小的涡旋电流使用。常用马达叠层可在0.015"～0.025"的范围内。该原型使用热轧钢芯可以满意地运行。它具有制造成本低的优点。使用固体芯的其他优点包含在像铁材料中可能具有更高的通量密度。永磁体1024可以粘附到软磁材料转子1022上。图3示出的间隔1025，在转子1022中不是必需的，但可以用于确保磁体1024以正确的间隔组装。
[0298] 根据此处公开的对于四相位配置的原理，图1到图5示出了一个4:3柱子1028对永磁体1024比例的非限制实例。总体来说，对于n相位会有一个n：n-1的柱子对极的比例，其中极的数量可以是永磁体的数量。可以使用3:2比例(用于三相位)，或2:1(用于二相位)比例或5:4比例(用于五相位)或6:5比例(用于六相位)或7:6比例(用于七相位)等。4:3示出了产生高扭矩的比例，并且在此用作一个非限制实例。或可以有n相位，带有n：n+1的柱子对极的比例.很多其他柱子对永磁体比例和组合都是可行的并且可以根据该设备的原理加以使用。
[0299] 图1至图5的实施例具有172个柱子，但是具有提出的槽密度的电机可以具有更大或更小数量的柱子。柱子的最小数量可以是100以获得用于一些机器人应用的足够的扭矩密度。图5示出了一个定子1020和转子1022的简化的原理图截面视图，柱子上带有原理图的CAD模型线圈1032。
[0300] 对于一个公开的电机的四相位配置，柱子的数量可被8整除，带有4个柱子对3个永磁体的比例。所述永磁体可以以交替径向极性设置。
[0301] 高数量的柱子允许每个柱子上缠绕有更少的绕组。在一个非限制的典型实施例中，每个柱子上的绕组仅有一层厚(从柱子向外周向测量)。这减少了气隙和/或封装化合物间隙和/或电线绝缘层的数量，使得来自导体的热必须通过耗散热传导的导体传导到定子柱子。这有益于热容(对于瞬时高电流事件)和连续操作冷却。当通过气体或液体冷却剂直接接触导体的方式直接冷却线圈时，低数量的圆周层，及例如柱子上电线的单圆周层，与高槽密度相结合，导致非常高的导体表面积(与导体体积有关)暴露到冷却流体。这有益于冷却导体，并且是电机实施例中利用低导体体积的多个典型的方式之一。每个柱子单排(或低数量的排)线圈也减少制造的复杂程度允许降低生产成本。在其他实施例中，每个柱子的绕组是两层厚的。
[0302] 典型的线性电机
[0303] 在一个实施例中，如图6中示出，一个电机可以以分层构造建立，其允许主要元件用例如导体材料的片状原料，但不限于铜及例如但不限于硬质阳极氧化铝等绝缘材料制造构成，使用例如但不限于冲压(stamping)或精密冲裁(blanking)等高速低成本制造工艺。代替围绕柱子的绕组导体电线，导体电路可以经过冲压之后分层装配。如果绝缘层与每个导体层交替使用，在某些配置中导体层的组装可以没有绝缘涂层。备选地，导体电路层可以在装配前绝缘涂覆以获得增加的绝缘效果，或者以消除对于分离绝缘层的需要。
[0304] 绝缘层可以由多个不同类型的材料制成。铝是一种可以经冲压或精密冲裁之后进行硬质阳极氧化的材料。硬质阳极氧化铝提供了高压绝缘和优秀的远离导体的热传导能力。它同样提供优秀的结构完整性。导体和绝缘层可以由许多可能的粘合剂固定在一起，包括但不限于环氧树脂、封装化合物、热活化粘合剂，和热塑型粘合剂。
[0305] 非电气传导(或绝缘电气传导)材料可以用在导体层的相同层上，以提供结构完整性和热沉/耗散品质。这些在导体层之间槽中的非填充层同样可用于提供冷却气体或液体的流动路径，使得开口槽构成导管。冷却流体可用作气体或液体的承载介质。许多不同的材料可用于间隔层，包括但不限于，阳极氧化铝、TorlonTM(一种偏苯三酸酐和芳族二胺的反应产物)、酚类，或复合材料，例如但不限于金属基复合材料。
[0306] 每个导体可以是一层。层可以由一个或多个部分组成。一个部分可以是，例如，一个线性马达的整体长度或一个旋转马达的完整圆周，或者也可以是一个线性马达的两个或更多纵向部分，或一个旋转马达的两个或更多的角度部分。每个部分中的每个层可以是一个只用于一个相位的导体电路。在一个带有电线绕组的常用电机中，导体电线可被螺旋缠绕并且与该相位中的电线和/或其他相位的电线重叠。这种三维的绕组缠绕配置的类型不能由每相位单层所制造，因为简单的分层装配不允许典型的柱子绕组所必需的交织或螺旋重叠结构。
[0307] 绕线可用于创造多相位马达，其中每个相邻的槽包括与一个相邻槽不同相位或不同相位组合的导体。这具有很多优点，包括简化制造以降低成本和提供以下描述的有效冷却的能力。
[0308] 公开的导体制造方法在构造带有高槽密度的设备中尤其有效，可以代替高精度电线绕组。
[0309] 每相位单层绕组在实施例中可提供一个在两相邻槽中的导体并且跳过一个或多个槽(取决于相位的数量，例如)使得一个层存在于两个相邻槽中，随后在这个相位的层上一个或多个槽中没有导体。因此，在一个载体的电磁元件包括柱子的电机中，在柱子之间有槽，在对应于一个相邻槽中电气导体位置的一个或多个槽的相同水平，一个或多个槽中没有电气导体。
[0310] 带有开口的导体层
[0311] 在一些实施例中，公开的电机不仅为液体流动提供高的横截面面积，它提供一个一致的分布式气流通道模式，确保了每个导体都能接触冷却流体将近其一半的长度。换句话说，在一个实施例中，没有两层以上的导体层在同一时间相接触。在一个槽中垂直顺序可以是，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一直与由错过的导体所创造的冷却通道中的流体相接触。这种均匀的分布式冷却通道阵列帮助实现足够的热耗散以补偿因减少导体体积所造成的更高热产量。
[0312] 一些有效冷却通道间隔模式的实施例包含与相位的偏移相结合的导体的端翻转的重叠，其中相位与一个在每个柱子的端的间隙相结合，从而允许每个柱子的端有切向气流。有了这些细节，气隙是一致的，避免了更少(更大)的通道，增加了导体表面面积，且由于没有柱子端切向导管从而没有了停滞的气隙。
[0313] 在一个实施例中，一排中可以有两个槽，槽带有来自一个相位的一个导体，随后在那个层上有p减2个没有来自任何相位的导体的槽(p是相位的数量)。对于三相位，两个槽有来自一个相位的一个导体，随后有一个没有来自那个或任何其他相位的导体的槽。对于四相位，一排有两个槽，排带有来自一个相位的一个导体，随后有两个没有来自那个或那个层上任何其他相位的导体的槽，等。没有来自那个或任何其他相位的导体意味着有可以由封装化合物和/或填充材料例如热提取插入件填充的空气空间或空间。
[0314] 以一个三相位配置作为一非限制实例，两个相邻的槽会具有一个单层，在第一和第二槽中带有一个来自第一相位的导体，随后第三槽在那层上不具有导体。这种模式重复地提供了绕组单层，以在三个柱子的第一个的每一侧的所有圆周上提供导体。在其他层上，一个第二相位电路存在于一个单层上，且在第二和第三槽中具有一个来自第二相位的导体，随后一个槽在该层上不具有来自那层上任何相位的导体。一个第三相位在另一分离层上，在每个第三和第一槽中有导体，但是在每个第二槽中不具有来自任何层的导体。
[0315] 一个分层构造允许从微型/微机电系统马达一直到直径为十米或以上的马达的可扩展构造。分层构造允许元件经过增加制造工艺，或者与每个导体和/或绝缘元件和/或由单个或多个部分预制造的间隔层进行组装。
[0316] 这种绕组配置可由每层上的可弯曲电线导体完成(其仅螺旋地缠绕在两个柱子上，以连接下一层，用于一个非限制实例)。或该导体配置可以由预制造的导体层装配，使得在构造和装配过程中较少地或不需要导体的弯曲。
[0317] 跳过槽具有可被感知的减少槽填充百分比的危害。然而，在周期性槽中错过的导体可以被用作冷却通道，以允许直接冷却高百分比的导体和/或绝缘层和/或电磁体柱子的表面面积。冷却通道或导管可设置有冷却剂的流动。在周期性槽中错过的导体可以被用作空气通道，以减少设备的重量。
[0318] 装配前形成导体和不需要导体弯曲的能力同样适用于超导体的使用，通常超导体相比铜电线具有较差的延展性。如果使用直流电流和超导体，用于接触冷却剂的可用高表面积也同样适用于使用超导体以保持导体在必要温度之下的超导电性。低温冷却剂的使用也可以通过减少电阻使传统导体如铜和铝更加高效。分层导体的实施例同样适用于在人工低温中保持铜或其他导体材料，用于在特定应用中增加效率。
[0319] 线性电机的状态
[0320] 图6中示出了一个线性电机的一个定子1058的一个非限制简化典型的实施例。图6中示出的设计可以包括一个上部绝缘层1034、一个下部绝缘层1034，和一个导体层的堆叠1040、1042和1044。可以使用多种数量的导体层。柱子1036可在绝缘层1034中通过开口1035延伸。连接点1046可设置于一个电气励磁源。对于每个层1040、1042、1044，可设置一个分离的层。
[0321] 定子1058的简单构造从很少数量的容易制造的元件上来看是显而易见的。绝缘层1034可由非电气传导材料或绝缘电气传导材料制成，并且可由例如硬质阳极氧化铝制成。
可以冲压或精密冲裁，然后化学蚀刻以移除锋利的边缘(当硬质阳极氧化时，对于在边缘获得高绝缘值很重要)，然后硬质阳极氧化。在这个非限制典型的实施例中，层1034是0.5毫米厚，但是图6的电机可具有尺寸范围。绝缘层1034具有可用于电磁体柱子1036的矩形切口
1035(虽然其他形状可用于柱子1036和柱子切口1035产生各种效果，并且在装配时用于柱子1036的精确定位)。如果绝缘层1034是电气传导的(即使它们具有绝缘涂层)，对于一些应用来说，在层1034中围绕任意单一柱子没有电气连接点是重要的。基于这个原因，切口1038设置在每个槽之间以断开潜在的涡旋电流电路。该槽可在工艺中在不同点被冲压或冲裁或切割，例如在装配之前、之中或之后使用激光。一个电气导体的最小厚度可以是大于导体层最大厚度的75％。电气导体的最小厚度可以是大于导体层的最大厚度的50％。这允许导体在交叉点的冲孔和最小变窄。为间隙提供大于50％仍然是必要的。制造方法可包括从一个恒定厚度的材料冲孔(punching)或冲压一个导体层，及将导体层放置进槽内。所得的导体层可具有可变的厚度。
可以冲压或精密冲裁，然后化学蚀刻以移除锋利的边缘(当硬质阳极氧化时，对于在边缘获得高绝缘值很重要)，然后硬质阳极氧化。在这个非限制典型的实施例中，层1034是0.5毫米厚，但是图6的电机可具有尺寸范围。绝缘层1034具有可用于电磁体柱子1036的矩形切口
1035(虽然其他形状可用于柱子1036和柱子切口1035产生各种效果，并且在装配时用于柱子1036的精确定位)。如果绝缘层1034是电气传导的(即使它们具有绝缘涂层)，对于一些应用来说，在层1034中围绕任意单一柱子没有电气连接点是重要的。基于这个原因，切口1038设置在每个槽之间以断开潜在的涡旋电流电路。该槽可在工艺中在不同点被冲压或冲裁或切割，例如在装配之前、之中或之后使用激光。一个电气导体的最小厚度可以是大于导体层最大厚度的75％。电气导体的最小厚度可以是大于导体层的最大厚度的50％。这允许导体在交叉点的冲孔和最小变窄。为间隙提供大于50％仍然是必要的。制造方法可包括从一个恒定厚度的材料冲孔(punching)或冲压一个导体层，及将导体层放置进槽内。所得的导体层可具有可变的厚度。
[0322] 电磁体柱子1036可由软磁材料制成，例如但不限于钢或粉末状铁或其他类型的软磁材料。导体1040、1042和1044可由铜(或者在某些应用中可能为铝或超导体)制成，并且可以经过成形或冲压或精密冲裁，然后涂覆绝缘层(未示出)例如但不限于常用于电线导体的涂层。表面连接通孔1046与其余的层一同装配，如果有需要的话，或在之后钻孔或添加。
[0323] 定子1058通过手或机械装配，然后可以夹持在两个平的表面之间并且封装一封装化合物。在封装工艺中，磨具板顶部和底部可收缩到使所有表面在再次轴向接触或紧密接近之前湿润。柱子1036的长度可用于定位上部和下部封装模具部分(未示出)。
[0324] 如果期望内部冷却，将封装化合物从开口槽截面中移除，例如通过允许重力将封装化合物从大间隙中移除，或通过挤压空气穿过设备以将封装化合物从空腔中推出。
[0325] 图7示出了一个图6中定子1058的等距视图(封装化合物或绝缘层未在导体上示出)。该非限制典型的实施例在每个相位每个部分具有一个导体(在这个实例中是完全线性执行器定子1058)。相同相位的多个导体层可用于定子部分。
[0326] 图8示出了一个图6和图7的非限制典型的实施例中定子1058的顶视图，移除了上部绝缘层1034，显露了每个相位电路1040、1042和1044如何为单独的部件(并且在这个案例中，具有相同的几何形状)，其几乎环绕了三个连续柱子1036中第一、第二或第三的每一个。相位电路1040、1042和1044各自对应于相位一、二和三。
[0327] 图9示出了移除了相位电路1042和1044使得相位1040的电路形状可以被清晰的看到，通过在每个第三柱子1036的任一侧上填充槽1037使得其几乎环绕了三个连续柱子1036中的每一第三个，并且跳过每个第一槽1037.其他两个相位电路跳过一个不同槽1037并且几乎环绕一个不同柱子1036.
[0328] 图10是图6到图9中非限制典型的定子1058的一个截面视图。它示出了导体如何在每个导体层1040、1042和1044中从每三个连续槽1037中的一个错过。图11是图10中示出的横截面的细节视图。
[0329] 层可以黏合在一起或融合在一起或焊接在一起。如果一些内部层，例如但不限于在阳极氧化铝或其他隔离层之间的铜层和间隔层，是镀锡的，且如果所有元件或其涂层可由给定的焊料化合物黏合，可以装配这些部件，然后在熔炉中在压力下加热以将所有物质融合在一起。如果使用焊料预镀锡，那么隔离层不涂覆是重要的，使得导体层与层之间不存在传导性(conductivity)。备选地，热塑性树脂可用来涂覆部件，之后进行装配，并且在熔炉中在足够压力下加热以确保正确的轴向和其他尺寸。环氧树脂和其他硬化粘合剂可在装配时或装配之后用于粘合和封装元件。如果设计中包含气流通道，封装之后可以在环氧树脂硬化之前将粘合剂吹出大腔。提供窄且一致的粘合剂或焊料涂层的预浸或焊料镀锡工艺的优点，是气流通道可以不需要清洗。仅紧密配合的表面会互相粘附。可使用任意数量的柱子或永磁体。
[0330] 图12到图21示出了一个带有永磁体(PM)载体1056和编码器的非限制线性马达实施例，按顺序示出了顶层的去除并显露了下层的层。技术人员熟知的有很多编码器的选择。在这个实例中一个在柱子的端的微型线圈用作涡旋电流传感器，尽管必须注意确保必要的精度。其带有高频信号通电，以产生在永磁体涂层和/或磁体间的材料中的涡旋电流。涡旋电流的变化用于读取位置变化。图12示出了一个电机的非限制典型线性执行器(actuator)实施例的等距视图。图13是图12示出的带有内部线条的执行器。图14示出了移除了上部永磁体载体护铁1048。
[0331] 图15示出了一个上部永磁体载体板1052和移除了大部分上部永磁体1050，显露了空气冷却排放洞，所述空气排放洞位于永磁体和永磁体之间的间隔中的槽之间的绝缘层中，以防止涡旋电流盘绕柱子1036。同样显露的是在印制电路板上制造并且在装配时添加到其余元件的空心感应传感器1054。感应传感器1054可用于感应永磁体载体1056上电气传导的任何物体的位置，例如在永磁体1050和/或在永磁体1050上的电气传导涂层之间的铝。这个传感器可用于决定定子1058和永磁体载体1056间的相对线性和/或轴向位置。图16示出了移除所有永磁体1050及移除顶部绝缘板1034。图17示出了移除电气连接器1062及移除顶部间隔层1060。图18示出了移除顶部相位电路导体1044及移除第二绝缘层1034，显露了内部冷却通道的空气进口。图19示出了移除第二间隔层1060及移除了柱子1036的大部分。
图20示出了移除上部空心传感器1054及移除第二相位电路1042，及结构圆柱形间隔1064及移除柱子1036的其余部分。图21示出了第三相位电路1040及移除底部间隔层1060，显露了下部空心印制电路板插入件1066和下部绝缘层1034。
图20示出了移除上部空心传感器1054及移除第二相位电路1042，及结构圆柱形间隔1064及移除柱子1036的其余部分。图21示出了第三相位电路1040及移除底部间隔层1060，显露了下部空心印制电路板插入件1066和下部绝缘层1034。
[0332] 图12到图21的典型的实施例可配置为定子1058的多个层和/或永磁体载体1056，永磁体载体1056在一个或更多个定子1058的所有轴向端，或两个或更多个在一个或多个永磁体载体1056的轴向端的定子1058。仅在轴向端的定子1058和/或永磁体载体1056需要护铁。
[0333] 用于典型的轴向通量马达的电感层
[0334] 图22示出了导体电路1044(仅有一层在这个图中示出)和柱子1036和封装复合环1068，用于一个根据一个电机实施例的轴向通量旋转定子1070的非限制典型的实施例。图
23示出了一个图22中定子1070带有将定子附于另一被执行或从其执行的定子盘和/或一个固定或活动部件的安装洞的细节视图。
23示出了一个图22中定子1070带有将定子附于另一被执行或从其执行的定子盘和/或一个固定或活动部件的安装洞的细节视图。
[0335] 图24示出了封装复合环1068从一个具有三相位和每相位一个导体电路的轴向通量旋转定子1070移除。在这个实施例中，导体部件1040、1042和1044分别是一个用于完整的360度的单一电路，对三相中的每一相具有IN和OUT连接点1046。例如，导体1040、1042和
1044可由硬质阳极氧化铝制成，可消除对于在导体1040、1042和1044之间分离绝缘层或转子(未示出)的需要。
1044可由硬质阳极氧化铝制成，可消除对于在导体1040、1042和1044之间分离绝缘层或转子(未示出)的需要。
[0336] 图25是一个三相位电路1040、1042和1044的等距视图，带有装配时由铝电路1040、1042和1044(和/或一个装配固定物)定位的软磁材料柱子1036。对于特定应用，有足够重叠的铝，铝电路1040、1042和1044和柱子1036穿过矩阵结构可足够强以减少或消除对像端板盘的其他结构元件的需要。带有这个配置，铝的额外体积可以配合到相同空间，如图15定子可允许铝对铜提供相似阻抗，必须在厚层间绝缘。铜还可以更少或没有绝缘层的方式使用，但是铜绝缘趋向于不如铝阳极氧化的坚韧(tough)。
[0337] 图26是图25的一个爆炸视图，示出了电路1040、1042和1044形状的简化，所有形状可以是对称并且通过一个或多个柱子1036相对于各自简单旋转，只要其他层不像其他电路一样几乎环绕相同柱子1036。
[0338] 图27仅示出了第二导体层1042带有柱子1036的一个特写视图。图28仅示出了上述导体层1042的细节视图，以示出沿内部直径的重叠部分，其为了结构完整性增加了导体层间的连结面积。图29是单一定子电路1044的顶部视图细节。
[0339] 如通过这种分层导体结构的实施例所可能实现的，例如，端翻转的横截面面积可大于槽内导体的平均或最大横截面面积。这减少了端翻转中的阻抗，允许它们以低于导体的槽部分的温度运行，并且因此用作散热器以增加导体的热容使得增加短时间内在高电流密度下操作的能力，例如紧急停止时或甚至在高加速度时的正常操作期间。进一步，相对于导体的槽部分(槽翻转)，更大的端翻转表面积提供了十分有效的冷却散热片效果，这是由于从槽翻转至端翻转的低热流动阻抗，所述低热流动阻抗是槽翻转和端翻转是相同元件和高传导性材料如铜或铝所造成的结果。可以用任意数量的液体或气体冷却的方式冷却这些端翻转“冷却散热片”。
[0340] 典型的轴向通量电机
[0341] 一个实施例可以单独地包括被控制定子区块，除了产生扭矩，用于所述定子区块的控制器的次要目的会是保持转子与所述区块对准，并且尽可能地消除一起使用滚动和/或滑动接触轴承的需要。每个区块可包括一个单独的多相位BLDC马达驱动。考虑到实施例带有如图30中示出的像多分区执行器1082的空心盘形状的，可以认为在某种程度上每个弧区块1074必须或多或少起到了像线性执行器(图31中所示)的作用，并且只要每个线性执行器保持它的线性(在这个案例是圆周)移动或位置，在某个给定时刻下每个转子的对应部分将周向定位，使得定子和转子会同轴地保持。从图样上很清楚地可知，每个定子区块1076仅对一个能使转子对应区块78做前后切向移动的主要的切向力负责。即使定子和转子与轴承无法机械耦合，通过合适的换向单独区块1074来保持轴向对准的可能性是实际的。可以说，提出的想法是以一种扭矩产生设备和自对准动态磁轴承的组合的方式。
[0342] 一个电机的实施例可使用一个长杆，例如机器人臂，在一端有重量，水平地安装在图32中示出的执行器1082的旋转部分上。如果执行器垂直安装，即具有一个水平轴，转子组件将经历一个向下的力1080，并且径向相对于水平轴的单独区块1084和1086会经历轻微的向下垂直位移。每个定子区块上的一个编码器会记录这个位移，并且马达驱动和控制器会转移能量输入至那些区块，以维持那些区块正确的定子对转子的切向对准。这会创造一个垂直上升力1088以抵消臂上的垂直向下力1088，并且转子会因此同轴地保持在一个由单独的区块的主动控制预先决定的公差内。这在图32中示出。所有其他部分像它们正常做的一样产生扭矩。对于控制器，那只是简单地在两个可能方向中一个的力(扭矩)的增长，并且因为这仅仅是二者中的一个，对于任何存在的马达驱动的驱动算法来说不会是一个复杂的增加。
[0343] 用于典型的定子的绕组构造
[0344] 图33到图37示出了一个三相位非限制典型的定子绕组构造的原理图，六层1040、1041、1042、1043、1044和1045组成一个定子，图33中为一个顶视图。定子被分为1010区块，每个区块包含一个定子绕组构造部分1090。例如，每个区块可由一个基于每个区块的编码器反馈的分离马达控制器(未示出)所控制，编码器读取在永磁体载体1056上的永磁体1050相对于每个区块的圆周位置。分别控制每个区块允许径向力受CPU的控制，使得转子和定子可以通过磁力主动地地(actively)地同心保持。效果会是一个径向方向的主动磁轴承。绕组的细节在图34中示出。图35示出了一个图33中定子绕组的单一部分1090的等距视图。图
36仅示出了最上两层1044和1045，他们都处于相同相位并通过穿过层的通孔连接；仅两层导体层中较低层1044在图37中示出。
36仅示出了最上两层1044和1045，他们都处于相同相位并通过穿过层的通孔连接；仅两层导体层中较低层1044在图37中示出。
[0345] 典型的轴向通量电机
[0346] 许多实施例是可能的。一个图38中示出的典型的实施例，作为一个四个定子盘1092的内部定子堆叠，允许五个转子盘1094的外部转子堆叠可以旋转一个全旋转。另一典型的实施例如图39示出，带有围绕四个定子盘的五个堆叠在一起的盘的一个外部转子。定子盘1092通过一个内部直径环部件1096固定在一起，并且分别在定子盘1092和转子盘1094上的固定标签1098和输出标签1100允许以非常窄的轴向尺寸进行同轴驱动。为了增加的扭矩，可以增加更多定子和转子盘。
[0347] 根据这个设备的原理，可以用一或更多导体层构建柱子的单个或两个或其他相位阵列。一个电机实施例的这个配置可允许线性或旋转或其他马达配置的简化控制，例如但不限于，一个线性马达控制一个机器人手指关节。
[0349] 图40示出了一个两关节机器人手指1122的非限制典型的实施例的原理图截面，其使用了一个由第一载体1104和一个相似执行器1116构成的执行器或电机1102的实施例。这个执行器1102可以是，但不限于，一个单相位线性执行器，其具有多磁极但仅具有一个相位，并且因此不能换向和生成足够的力，使得一个执行器(通过一线缆或带子或链等作用)的适当低的机械优势可以产生足够的扭矩和对其所附的关节的转动。在图40中，一个执行器1102具有一个固定于指节1106的定子1104和一个固定于线缆或带子1110的P载体1108。线缆1110固定在另一端，到一个滑轮或其他部件1112。滑轮1112固定在手部件1114上。当定子1104在一个极性上通电，它允许指节1102顺时针方向旋转，作为一个顺时针弹簧(未示出)在手部件1114和指节1102之间作用的结果，并且当执行器1102延伸时，顺时针弹簧相对于手部件1114将手指拉直。当相反极性施加到定子1104时，线缆1110被拉向定子1104，并且所以指节1102将逆时针方向旋转。
[0350] 一个第二定子1116固定于第二指节1118，并且执行一个固定于滑轮1112的线缆1120，滑轮固定于指节1102。定子1104和1116可由相同和/或不同马达控制器驱动。
[0351] 定子1104还可以位于手部件1114，或一个增加的执行器1104可位于一个手部件并且可作用于一个指节部件1102以导致旋转。一个固定于指节1102的执行器还可产生指节1118的扭矩和/或旋转，代替或添加到定子1116.
[0352] 一个三手指1122的机器人抓取器的非限制实例的两个视图如图41示出，每个关节使用了以上描述的驱动。抓取器的许多不同的配置使用一个电机实施例的这些或其他驱动配置都是可能的。
[0353] 用于电机的典型的磁配置
[0354] 图42说明了一个交替极性磁体1050的实施例，磁体位于电气导体层1140至1143的分层排列的一侧，柱子1136位于绝缘层1134中。这个插图示出了一个轴向通量实施例，可以是旋转的或线性的。
[0355] 图42的分层执行器可以由这份公开文本中的任意方法制造，例如但不限于使用印制电路板制造技术，或预制造元件的装配。为了减少所需用来产生给定线性力的电流，可使用多于一单层电气导体。1140到1143每层可具有一个分离的绝缘层在该层和下一层之间，或每一导体层可单独被绝缘(类似传统电线绝缘)于装配前或装配工艺中，使得一个分离的绝缘层不需要在导体层之间。
[0356] 对于一个非限制实例，一个单相位设备如图42中示出，电磁体柱不是换向的。正或负电流施加于单相位以创造一个在一个方向上或其他方向的力和/或永磁体载体的运动。因此输出的大约总行程将因此会是柱间距。这个设备的优势是马达控制器的复杂度降低，仅需要提供可变的正和/或负电流来产生永磁体载体相对于定子的运动或力。
[0357] 例如用于机器人手指关节的典型的线性电机
[0358] 对于很多移动控制应用，例如手指关节和其他机器人或移动控制中的设备，少量移动可被机械地放大以完成所需的任务，例如使用线缆和滑轮在一个线缆“腱”上拉动，例如如图40和图41中说明的人类手指。例如，一个成年人类食指需要线性腱移动的大约18毫米用于三个关节的全范围移动。如果在机器人手指上每个关节都由分离的线性马达和腱控制，每个执行器的总行程会是～6mm，为了复制人类手指关节的移动。如果机器人腱的机械优势减少到人类手指的1/2，在每个关节的每个单独执行器就仅需要总执行器移动的3毫米来获得人类手指关节移动的范围。
[0359] 图42示出了一个四层单相位执行器的非限制典型的实施例的简化横截面，在电磁体柱子阵列的所有轴向端部带有一个永磁体的线性阵列。图42中的箭头标示了永磁体(固定于可移动的永磁体载体-未在图42中示出)上的力。在永磁体上的力会在示出的电磁体极性的右侧，及在相反地电磁体极性的左侧。通过使用一个可变的电流，比如使用一个PWM信号，这个力将与电流成比例。如果柱间隔是～3mm，那么可以获得一个通常人类尺寸手指关节的手指驱动。
[0360] 这种构造的紧凑性甚至可允许每个关节的执行器位于下一个上游或下游臂或手指指节。这消除了对于柔性线缆护套的需要，并且允许直接在关节上的电缆/腱的作用与执行器移动平面相一致。对于更有力量的手指或其他元件驱动，一个具有柔性外罩的线缆可用于一个或多个关节的执行器的远程定位，例如在一个机器人的前臂中，其中更多的空间是可用的。
[0361] 这个执行器系统的一个优势是力可以轻易地施加于一个关节(相对于多相位和线性或旋转马达中换向磁体阵列，其必须具有一个反馈系统以获得受控力应用)。由执行器产生的力与电流正比例，因此一个力反馈传感器对于很多应用可以不是必要。一个编码器对于很多应用可以不是必须的。这种配置可适合很多其他机器人或移动控制需求，其中一个有限行程的线性移动会提供所需的力和/或运动。
[0362] 对手指中所有执行器施加相同的可变电流，每个执行器控制一个不同的关节，一个高度一致的手指组件可以被获得，其中手指将使在每个关节处的给定载荷一致，仅选择单个电流用于控制整个手指。单独的执行器的分离电流控制将允许单独的关节控制。
[0363] 典型的电机的分层构造
[0364] 以上图42中的磁体配置在图43至图52中的组件中被示出，在每个随后的图中移除一层以示出分层构造。
[0365] 绝缘层1134可由任意非电气传导材料制成，或具有一绝缘涂层在导体材料上，例如铝。由于其高热传导性可以使用阳极氧化铝。对于低频应用，例如手指执行器，涡旋电流不是关注点，因此电气传导的定子层不需要任何围绕柱子的断裂。
[0366] 图43示出了图42中全部的执行器1156，其带有永磁体载体护铁1148、上部永磁体载体1152、下部永磁体载体1157和定子1158。图44示出了移除了永磁体载体护铁1148的执行器1156。图45示出了移除了永磁体载体1152、1157和永磁体的定子1158。图46示出了移除了定子1158的顶部绝缘层1134的执行器1156，示出了四层单相位单电路导体，带有连接器1124、1126用以连接至一个单相位电流源(未示出)。
[0367] 图47是一个导体层1141和1142之间的通孔连接器1146的细节视图，并且IN和OUT连接器1124和1126由连接到导体层1140到1143的电气导体的柱子构成。图48是一个在图47中示出的在层1140至1143之间的通孔连接器1146的细节视图，在定子1158至IN和OUT连接器1124和1126的相反端。
[0368] 图49示出了一个顶部导体层1143，并且移除了一打电磁体柱1136。图50、图51和图52各自示出了移除电气导体层1143、移除层1142和只示出层1140的执行器1158。
[0369] 在图42至图52中非限制典型的实施例中在相邻导体层至间不需要分离的绝缘层。如果在装配/构造之前或当中时导体层涂覆有一绝缘体是可能的。导体层之间的绝缘层的使用会消除对于导体绝缘的需要。
[0370] 以上可以由在一个或多个永磁体载体的任一轴向端上的两个或更多定子所配置。永磁体载体可具有任意类型的永磁体并且可以配置海尔贝克阵列或伪海尔贝克阵列(永磁体在载体移动的方向上极化，由永磁体之间的钢提供磁链)。定子和“转子”都可以被通电以减少或消除对于永磁体的需要。任意数量或几何形状或尺寸的柱子和永磁体或其他元件可被使用。制造技术包含印制电路板制造技术，其带有用于与拾取和放置装备装配的线圈和柱子传导的轨迹。微机电系统机械可以在很小的尺寸下使用这些技术建立，受静电力主导电磁力的下限限制。更大的马达或执行器或发电机可以使用如这个公开文本中其他实施例中所描述的预制造导体工艺。
[0371] 带有在所有载体上的线圈的典型的电机
[0372] 图53、图54和图55中示出的电机的一个实例，所有载体都带有线圈。像此处公开的其他电机，图53的电机可具有公开的槽密度和柱子高度或导体体积。给定实例用于径向通量，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中的任一个可以是固定的。定子1220用电线缠绕，例如但不限于铜电线。其可以被换向以改变施加于单独柱子的电流或相位，或可以通过可变的直流电流通电，使得直流电磁柱子可被缠绕和通电以同时引导来自所有永磁体1224的通量。这个通量引导将来自从通过定子1220的短路的永磁体1224的通量重新定向，并且导致其找到穿过转子1222的气隙的较低磁阻路径。转子1222可以是被动的(但是仅当定子线圈是换向的)或可以通过围绕柱子1227(如果定子使用直流电流换向或通电)的线圈1232换向。结果是一个当定子1220和转子1222上的线圈没有通电时，已经减少或没有穿过气隙的通量实施例。当转子反向驱动当线圈未通电时，这减少或消除了齿槽和反电动势(EMF)(同样指阻尼力)。反向驱动能力对于很多应用，包含机器人和车轮马达而言是有益的。这个实施例仍可作用为一个发电机，但是需要定子线圈通电。
[0373] 在图53、图54和图55中，在定子1220上有168个柱子，并且在转子1222上有140个柱子(虽然许多不同的定子柱子和转子柱子的组合可以被使用)。这个非限制实例的外部直径(OD)大约8.4英寸，并且轴向长度是1英寸。定子可由一种软磁钢制成并且可以由铁质材料的固体块或由叠层材料制成。转子1222可由软磁钢制成，并且可以由叠层材料或由铁质材料的一固体块制成。电线可以是铜或铝，但是可以由任何种包括箔或方形电线或超导体材料的导体制成。执行器的尺寸是由发明人考虑过的，非常适用于人体尺寸机器人臂的肩部或肘关节。外罩在此处没有示出但是可以是任何用于保持定子1220和转子1222同心并且对准的几何形状。图53是一个示出了具有168个带有线圈1232的柱子的定子的等距截面视图，包含了每一柱子1227，1228的一个电线的单层，和一个与每个靠近定子1220外部直径的柱子接触的永磁体1224。该图还示出了一个140个转子柱子的阵列，并且线圈1232可以包括一个在每个线圈上的绕组单层和一个定子1220的护铁1230。
[0374] 当定子线圈1232中没电源供应时，永磁体的通量可以“短路”通过定子，因此减少或没有跳过气隙的通量。当线圈没有通电时，这减少或消除了齿槽扭矩。当内部线圈通电时，例如通以直流电流，一部分来自永磁体1224的通量被引导朝向并且穿过气隙到转子柱子(沿着定子柱子通量)。在定子线圈中的电流越大，气隙中的通量密度越高。
[0375] 定子柱1228可以被缠绕(wired)成一个单一电路，使得所有定子柱子可以被同时通电。转子柱子可在相位(在这个实例中是5相位，但其他数量的相位也可以被使用)中被缠绕和通电，并且之后通过按顺序移动极性模式使其换向。在这个实例中，转子柱极性是S N S N S S N S N S S N S N S S N S N S等。其他极性配置可用于，例如一个重复的NS模式。相邻S极的第一或第二集合还可被关闭。正弦或其他电流轮廓还可施加于每个柱子的换向。在这个实例中，转子和定子被24号电线缠绕并且以20安培通电。定子和转子是0.5：宽。全部组件大约重两磅并且在20安培时具有大约50牛米的扭矩。更高的电流被认为可能在短时间内可以获得更高的扭矩。更宽的定子会产生更高的扭矩。
[0376] 当图54中示出的外罩1212，1214被设置时，从线圈到外罩的热耗散可被在内部外罩1214和外部外罩1212之间共享。
[0377] 带有海尔贝克磁体阵列的典型的电机
[0378] 图55示出了一个在内部定子上使用海尔贝克永磁体阵列的电机的实施例。已知海尔贝克阵列在电机中被用作永磁体。这是一种有效的使用永磁体的方法，并且分析示出了其具有相似的如图53和图54中描述的通量引导定子的扭矩对重量的比例。永磁体，具有比钢更低的通量密度使海尔贝克阵列实施例对于给定直径的(和可能的定子/转子质量)最大可能扭矩低于如这个公开文本更早描述的带有通量引导的实施例。使用海尔贝克阵列的优势包含一个小体积尺寸外形因素，对于很多应用来说是一重要价值。由高槽密度导致的导体的短热流动路径被期望提供提升的扭矩密度。海尔贝克阵列可设置于定子或转子上，并且也可以是内部的。在另一个实施例中，三角形磁体可以交替径向极性使用，而在每个磁体之间的软磁材料三角形通量路径连接器具有与海尔贝克磁体相似的形状和尺寸。这个配置的优势包含由于一半数量的磁体导致更低的成本，由于能够将所有钢三角部分连接成一单个护铁元件，具有较低的公差叠加，并且由于它们被磁性吸引至软磁材料转子护铁以使永磁体更好地固定。
[0379] 带有内部轴承和外部输出的典型的轴向通量电机
[0380] 图56示出了一个典型执行器2100的横截面。一个外部外罩2102紧固到一个外部外罩2104。两个部分中的一个定子或等效的一个第一定子2106和一个第二定子2108通过机械方式，例如螺纹紧固件，及或通过粘合剂或其他固定方法，固定到外罩2102和2104的各自向内面向表面。转子2110固定为与轴承2112一起旋转，轴承将转子保持为同心并且在一个相对于外罩2102和2104固定的轴向位置。
[0381] 图57示出了图56中实施例的一个细节的横截面视图。永磁体(未示出)安装于转子2110中。截面平面穿过定子2106上的柱子2114，但是截面平面不穿过定子2108上的柱子。这是由于在这个典型的实施例中定子2108以四分之一柱间距旋转以减少转子2110中的永磁体的齿槽力，齿槽力与定子2102和2104上的柱子相互作用。相对于其他定子旋转一个定子用于抵消在转子2110和定子2106和2108之间产生的少量正弦齿槽扭矩。这个效应在图58中示出，其中电气波产生的扭矩2300的第一基本谐波和齿槽力矩2302的第一谐波在线1b上绘制为转子位置的函数，由数字0到6标示，0和6各自对应于一个电气循环的开始和结束。定子
2106的柱子1b和定子2108的柱子2b在转子永磁体上2124上施加了吸引力2306。在这个非限制典型的实施例中，有一个3:2的柱子对磁体的比例，导致在每个定子柱子两个齿槽台阶
2308、2310。一个定子相对于另一个定子旋转偏移四分之一间距，因此对齐了一个在一个与其他定子的齿槽扭矩2304相差180°相位的定子的少量正弦齿槽扭矩2302，以获得消除齿槽扭矩的的有益水平。其他定子柱2114对转子磁体2124的比例会具有其他数量的齿槽台阶，并且根据以下的计算，需要不同的偏移角度以获得最大的齿槽消除。
2106的柱子1b和定子2108的柱子2b在转子永磁体上2124上施加了吸引力2306。在这个非限制典型的实施例中，有一个3:2的柱子对磁体的比例，导致在每个定子柱子两个齿槽台阶
2308、2310。一个定子相对于另一个定子旋转偏移四分之一间距，因此对齐了一个在一个与其他定子的齿槽扭矩2304相差180°相位的定子的少量正弦齿槽扭矩2302，以获得消除齿槽扭矩的的有益水平。其他定子柱2114对转子磁体2124的比例会具有其他数量的齿槽台阶，并且根据以下的计算，需要不同的偏移角度以获得最大的齿槽消除。
[0382] 齿槽台阶数量由LCM-柱子数量P和磁体数量的最小公倍数给出，因此对于3:2比例，齿槽台阶的数量就是lcm(3,2)＝6
[0383] 实例：
[0384] 3:2比例-lcm(3,2)＝6齿槽台阶
[0385] 24:16比例-lcm(24,16)＝48
[0386] 144:96比例-lcm(144,96)＝288
[0387] 144:142比例-lcm(144,142)＝10224
[0388] 144:146比例-lcm(l44,146)＝10512
[0389] 偏移角基于齿槽台阶的数量建立，所以如果对于一个360电气角度的电磁循环，有六个齿槽循环，意味着齿槽循环在每个360度/6＝60电气角度完成一次。
[0390] 60电气角度对应于齿槽机械波的360度。为了抵消一个波，需要一个具有相同频率相位偏移180度的波。所以一个机械相位偏移的180度对应于电气波中的15度，这意味着第二定子电气相位应当偏移15度。如果不用总扭矩代替2xTQ,那么一个定子的2xTQ x cos(15deg)＝2*TQ*0.966＝1.932*TQ。
[0391] 如果一个定子偏移半个定子间距，那么齿槽台阶波按360机械角度偏移它的相位360机械角度，这意味着一全齿槽台阶加了两个波代替抵消它们。为了抵消这些波，偏移必须是对应于180机械波角度的1/4极间距。
[0392] 如图58中示出的1/4间距偏移来自3:2比例，如果有六个齿槽台阶，那么就应当有六个扭矩为零的中性位置。
[0393] 位置0、2、4和6几何对应于半间距和全间距。
[0394] 0和4对应于零或全间距。
[0395] 2和6对应于半间距。
[0396] 位置1、3和5对应于1/4、3/4和5/4的间距。
[0397] 图59示出了一个图56中设备的爆炸视图。这个非限制典型实施例2100在转子2110的两个任一轴向端具有定子2106和2108(未示出)。定子具有护铁2126，其带有从后表面投影的散热片阵列2139，并且具有2144个径向对准、对应于2144个槽的轴向延伸柱子2114。有96个磁体2124和定子2106。定子2108由一个马达控制器的三相位正弦电源供电。可使用一定范围的槽，并且一定范围的磁体数量可以在已公开的范围内使用。不同相位数量可被使用；许多不同的绕线配置可被使用。
[0398] 一个典型的实施例使用了一个带有N52永磁体的分数槽绕组。可使用许多不同的永磁体和许多不同的磁性材料。
[0399] 带有分层构造的典型的轴向通量电机
[0400] 在一个图59和图60中示出的实施例中，切向磁化的永磁体2124的阵列以NSSNNSSNNSSNNS…的顺序被切向磁化。以使得每个在转子2110上的第一径向通量路径部件
2128在所有轴向端是N极，并且每个第二通量路径部件2130在所有轴向端部是S极。转子
2110包含一个正弦表面2116，该表面可用于连接一个编码器，例如但不限于一个涡旋电流传感器、一个光学传感器、或其他可提供转子2110的径向位置给马达控制器的传感器。许多其他类型的编码器可用于这个设备的实施例。转子2110的圆柱形截面2118，用于提供一个从转子2110到一个输出的附着表面，例如一个机器人臂，并且为转子2110提供刚度。圆柱形部件2118可与转子2110成为一块，或者可以是一个分离元件，例如但不限于一铝环，该铝环通过热膨胀装配于圆盘和/或另外附于转子2110的圆盘截面。分离圆盘2120可用于密封和包含定子柱2114之间槽中的导体2122。如果使用了分离圆盘2120，它们可以是非电气传导材料，例如TorlonTM(一种聚酰胺酰亚胺)或其他非金属材料，以防止涡旋电流。导体2122可由任意构造组成，包含电线，但可以是分层构造，如此处所示。导体可由任何包含铜或铝的材料制成。
2128在所有轴向端是N极，并且每个第二通量路径部件2130在所有轴向端部是S极。转子
2110包含一个正弦表面2116，该表面可用于连接一个编码器，例如但不限于一个涡旋电流传感器、一个光学传感器、或其他可提供转子2110的径向位置给马达控制器的传感器。许多其他类型的编码器可用于这个设备的实施例。转子2110的圆柱形截面2118，用于提供一个从转子2110到一个输出的附着表面，例如一个机器人臂，并且为转子2110提供刚度。圆柱形部件2118可与转子2110成为一块，或者可以是一个分离元件，例如但不限于一铝环，该铝环通过热膨胀装配于圆盘和/或另外附于转子2110的圆盘截面。分离圆盘2120可用于密封和包含定子柱2114之间槽中的导体2122。如果使用了分离圆盘2120，它们可以是非电气传导材料，例如TorlonTM(一种聚酰胺酰亚胺)或其他非金属材料，以防止涡旋电流。导体2122可由任意构造组成，包含电线，但可以是分层构造，如此处所示。导体可由任何包含铜或铝的材料制成。
[0401] 图60示出了一个图56中设备的截面视图，其具有装配爆炸的外罩2102和定子2106，转子2110和磁体2124爆炸，并且外罩2104和定子2108装配。一个气流进口2132在外罩
2104上示出，在分离盘2120及转自2110中带有横流开口2134、2136，以允许冷却流体从执行器2100的一侧向相反的定子流动。
2104上示出，在分离盘2120及转自2110中带有横流开口2134、2136，以允许冷却流体从执行器2100的一侧向相反的定子流动。
[0402] 图61是外罩2102的截面细节视图。外罩2102的内侧表面具有接收槽2138的阵列，其用于在定子2106的后表面上的散热片阵列2139。这些接收槽2138用于固定定子2106的后表面于外罩2102，并且还用于从定子2106的后表面传递传导的热量至外罩2102。定子2106和外罩2102之间的体积，与接收槽2138之间的体积可用作流体流动腔，用于将定子2106的后表面和外罩内表面的热量吸出。气体或液体可以通过一个泵或压气机(未示出)的方式在这个腔中循环。所公开的槽几何形状的冷却效果允许在以空气作为冷却流体的很多应用中获得高性能。气体代替液体的使用具有许多潜在的优势，包含更低的成本和重量，并且在很多应用中消除了对泄漏的顾虑。
[0403] 图62示出了装配于外罩2102的定子2106。在这个典型的实施例中，定子2106包括一个轴向延伸径向对准柱子2114的阵列，柱子具有在公开的范围内的槽密度和导体体积。一个流体柱子2140的阵列在定子2106上示出，为在定子2106和外罩2102和2104之间的腔内的流体提供一个进口或出口。
[0404] 图63示出了装配于外罩2102的定子2106，其具有一个电机实施例的3：2分层导体配置的相位A的第一导体层2142。导体的这个实施例的一个相位的每层在定子2106上占据一个单一轴向层，在相同层上不具有其他相位的其他导体。在一层上的一个导体2142按顺序占据了两个槽2143、2145，然后跳过一个槽2147，使得在一层上的一个第一槽2143具有一相位的导体2142，提供一径向方向的电流流动，在那个层的一个第二槽2145具有那一相位的导体2142，提供一相反地径向方向的电流流动，以及一个在那层上的第三槽2147不具有导体。这个导体形状和一个相位中一个导体层2142的顺序如图64中示出。
[0405] 图65示出了相同相位的导体层2142的四层，出于清楚起见移除了定子2106和其他相位的导体。轴向插入件2148将一层上来自一个相位的每个导体2142的端与来自不同层上相同相位的另一导体2142的起始相连接。
[0406] 图66示出了排列于典型的实施例2100中的导体，其带有一个来自每个相位的导体层2142。一个导体层2142的端翻转与下一个导体层2144的端翻转相重叠，以这样一种方式来提供一个在槽内的层之间的流体径向流动的通道2150(在这个实例中向外，但流体可以任一方向流动)。定子柱子在图66中未示出。在图67中，相同层上每个第三槽2147中的流体流动通道由三个典型槽中虚箭头线示出。每个定子2106上的第一柱子2250的任一切向侧上具有一个来自相位A的导体2142。每个定子2106上的第二柱子2252的任一切向侧上具有一个来自相位B的导体2144。并且每个定子2106上的第三柱子2254的任一切向侧具有一个来自相位C的导体2146。
[0407] 分层绕组配置允许径向冷却液体在柱子间的导体间的分隔内流动，但是端翻转将槽密封，使得槽与槽内通道无法径向接触。为了在径向通道2150中提供流动，如图68中所示导体2142与一个轴向流动路径2152在每个柱子2114的端预成型。这个轴向流动路径2152允许槽2147中通道2150中的径向流体流动，使得流体在柱子2114的端周向流动，随后在轴向流体路径2152中轴向流动，随后在不同层上径向地在径向流动通道2150向外(或向内，取决于冷却剂流动方向)。
[0408] 这个流动路径在图68中示出，粗箭头示出了气流上升到进口通道2154，其和一个柱子2114径向对准。粗虚箭头示出了在进口通道2154中的径向流动。细虚线标示了穿过柱子2114的端的切向流动，随后在柱子2114的端的分隔2152内的轴向流动。长虚线标示了导体2142间的通道2150内径向向外的流动。通过在柱子2114的端创造一个轴向流动路径2152这种方式，冷却流体具有多种路径，能切向和轴向流动以连接进口和排放空气到径向流动通道2150。
[0409] 图69使用相似的箭头示出了相同的流动路径。标注出柱子端间隔2152是重要的，允许冷却流体进入一层并且在一不同层的一个通道2150内径向流动。
[0410] 一个分层导体系统的实施例可包含，为获得更高的槽的填充百分比，径向锥形的(tapered)在一个径向锥形的槽中的导体，为便于制造冲压导体的能力，简化分层构造和增加装配的精度，获得更大的制造一致性的能力，为获得一致的甚至用于冷却的流体流动通道的能力，及为通过主动冷却方式的更有效的冷却而创造相对于导体体积更大的与导体接触的冷却剂的表面积的能力。
[0411] 如图63和其他中示出的分层导体系统的实施例，是以对于一层的大部分导体具有相同厚度为特征的，并且带有可变的宽度，包含一个在端翻转处更宽的截面，在垂直于电流流动方向带有更大的横截面积。在端翻转处具有更宽的横截面是有益的，因为可以通过平方效应减少了端翻转的阻抗和热产量，允许端翻转相比槽中更窄的导体可以在更低的温度下操作。在槽翻转和端翻转之间的非常低的热流动阻抗，与更大的端翻转横面积一起，为槽内产生的热量提供了一个非常有效的散热器。端翻转(比较于如果比较于槽内导体最大宽度，端翻转具有相同或更小的宽度)的更大的表面面积提供了增加的表面积用于冷却流体相互作用，如果端翻转是被主动冷却和/或用于传导的热通过电气导体端翻转的连续层轴向传递到外罩。
[0412] 任意数量的层可用于这个分层导体系统。任意数量的相位可用于这个导体系统。在所有相位数量的情况下，例如，导体可填充了两个相邻的槽，在这些槽中带有相反方向的电流，随后跳过X-2个槽，“X”是相位的数量。在四相位的情况下，例如，比起在三相位情况下会跳过一个槽，一个层上的每个导体会跳过两个槽。在五相位的情况下每个导体会跳过三个槽，等等。
[0413] 典型的轴向通量电机
[0414] 设备的一个非限制典型的实施例2156的一个横截面视图在图70中示出，带有一个平均175毫米的气隙直径。一个转子2158带有2146永磁体(未示出)，其对应于2146个径向通量路径部件2160，旋转地固定在一个两个定子2162的轴承上，每个定子具有144个柱子2164和144个槽。虽然其他数量的相位是可能的，使用三相位控制。如图71中示出，来自每个三相位的导体2166位于两个相等且径向相反的24个槽的每个阵列部分。每个三相位的第二部分以反向电流流动方向缠绕在第一部分上，并且一个相位的每个部分以反向方向缠绕在与其旋转相邻的相位上。导体2166可由传统的电线组成，但可以是一个分层导体系统例如图70到图78中示出。在这个实施例中，在每个部分(section)的一个相位中导体2166在每个相邻槽中以一个圆周向方向交替径向方向；在一个部分的端反向圆周方向；并且在相反的圆周方向上交替径向方向，使得电流始终在槽中的所有导体中以相同的径向方向流动，并且在那个部分的每个槽在给定时刻比较于相邻槽具有相反的电流流动方向，使得在一个通电的时刻一个部分中的柱子被交替磁极磁化。
[0415] 每个用于24个槽的6部分的电线的模式在此处示出，其中“A”标示了以一个方向缠绕的电路，并且“a”标示了以相反方向缠绕的相同电路，不同的命名指向不同的相位。仅第一组6个槽示出。
[0416]
[0417] 以上是对于一个定子的相位和极性模式。对于一个带有两个定子的实施例，并且其使用一个定子用于这个文件中所公开的实例，在一个径相通量路径部件的所有轴向端上具有相同的极性，第二定子绕线的物理结构应当与一个通过转子中心的平面成镜像。然而电流应当在一个定子相对于其他定子轴向对准的柱子中的相反方向(顺时针/逆时针)。
[0418] 144:146尺寸不可能是限制的；槽数量和磁体数量的宽范围是可能的。
[0419] 图72示出了一个使用以上惯例的简化定子2172的截面视图，带有用于可见相位的导体2174的起始和结束连接点2176的相位和极性。
[0420] 由于这个设备的齿槽台阶数量非常高，齿槽的幅值预期会非常低。因此没有必要预期如图56中示出的将定子彼此成角度地定位。
[0421] 用于轴向通量电机的典型的冷却结构
[0422] 被动冷却可用于例如通过传导的热从电气导体传递到每个定子的定子护铁的后表面。在图70和图71的实施例中，护铁2170可由一块材料例如固体铁或钢制成，并且可以是一个低电气传导性但是高磁饱和性材料，例如但不限于，粉末状波曼德合金(Permendur)TM49Fe-49Co-2V或另一种非平的形状的软磁材料。这个背景下的固体指定子的磁性材料是连续的并且没有非磁性叠层。
[0423] 定子2162在定子2162的后面上具有冷却散热片2178的阵列，其增加了表面面积并且为被动冷却例如通过辐射效应和对流流体流动提供了增加的冷却率。冷却散热片2178同样增加了主动冷却的效果，例如强迫气体或液体流过冷却散热片2178。冷却散热片2178还可在腔内部密封，例如一个外罩(未示出)。此处示出的冷却散热片2178不是径向对准的。这是为了使用径向对准的柱子2164创造一个结构矩阵，用于增加圆周刚度。这个定子配置的轴向构造和短的轴向特征使得定子适用于粉末状磁性材料的构造。柱子2164和散热片2178可以在轴向方向是锥形的，以便于按压成型或者其他生产方法。导体2166还可以是槽底部至槽顶部为不同的宽度，以在每个槽深度上获得期望的槽填充。
[0424] 如图73中示出的实施例，导体系统提供了一种非间断的轴向传导热流动路径2180的组合，由于比槽2185中的导体的宽度大50％并且没有导体2182的错过的层，及如果期望通过通道2182的径向冷却流体流动腔的可能性。根据此处公开的原理，这可以以多种方式完成。在图73示出的典型的实施例中，在一个柱子2184的任一侧上的导体2186与在柱子2184的所有侧上的柱子2184足够的紧密，以允许柱子2184在所有圆周方向上精确定位导体
2186，并且在导体2186和柱子2184的一侧之间创造一个连接2188。这个精确定位帮助确保了间隙2182在导体2186的相反侧创造。这个导体2186的预成型的的变窄和确保了偏心和接触槽2185的一个壁的形状，帮助在非接触周向面向侧提供了结构刚度和流体流动功能。
2186，并且在导体2186和柱子2184的一侧之间创造一个连接2188。这个精确定位帮助确保了间隙2182在导体2186的相反侧创造。这个导体2186的预成型的的变窄和确保了偏心和接触槽2185的一个壁的形状，帮助在非接触周向面向侧提供了结构刚度和流体流动功能。
[0425] 这个构造的另一特征是在一个槽2185中的一个导体2186的唯一一个周向面向侧上的间隙2182。这帮助确保封装化合物或清漆不会填充通道2182，因为比较于一个大通道，在两个小通道中更容易发生。这个构造同样帮助确保了每个导体2186在柱子2184的侧上具有一个圆周的传导热流动路径2190。
[0426] 由于图73中示出的结构，来自一个槽2185中的导体2186的热具有一个非间断的轴向热传导路径2180，路径通过导体2186到定子2193的护铁2194，一个到柱子2190的圆周的热传导路径以允许一个通过柱子到护铁2192的短的热流动路径。如这张图所示，从护铁2196的后表面，来自定子2193的热可被传导地传递到外罩2198上，或到冷却流体，或辐射到另一主体(如其他实施例中所示的)。
[0427] 图74中的实施例具有周期性层2200，具有槽2203的全宽度，并且具有周期性槽2202，其窄于槽2203。层2202可预制备以位于每个第二柱子2205的所有侧上。这提供了一个一致并且可重复的流体流动通道2201，带有与封装化合物阻塞通道的最小可能性，如果更窄导体2202在中心，则风险会增加。更窄的导体2202可在轴向上更厚以匹配更宽的导体
2200的横截面面积。在这个配置中导体2202可窄于50％，同时仍可提供槽2203中导体的结构刚度。选择在一个层使用窄于50％宽度允许通道2201相比于图73中示出的单一厚度结构而言，具有更大的横截面面积。
2200的横截面面积。在这个配置中导体2202可窄于50％，同时仍可提供槽2203中导体的结构刚度。选择在一个层使用窄于50％宽度允许通道2201相比于图73中示出的单一厚度结构而言，具有更大的横截面面积。
[0428] 图75示出了一个图74中实施例的四层的爆炸视图。更宽但轴向更窄的导体2200的截面在此处清楚地示出，对比于更窄但是轴向更厚的导体2202。
[0429] 如果一个应用期望每个柱子具有的更高的翻转数量，那么更窄导体2206的多层可具有如图76中示出的相同的轴向轮廓。这允许多层厚度流体流动间隔2208带有防止间隔被封装化合物阻塞的优点，或允许更厚的封装化合物在没有永久填充流体流动间隔的情况下被使用。
[0430] 多个更窄层2206可平行或串联地使用，带有各种效果。在一个实施例中，更厚层(未示出)可串联地与槽底部的相邻层相连接，并且更薄层可并联地在槽顶部相连接。平行的更窄层被认为具有在转子旋转中减少在最靠近永磁体的导体中涡旋电流的优势。
[0431] 所有这些实施例从在一个柱子的一个或所有径向端的一个轴向冷却流体流动路径中获益，这是由于径向导体槽长于其部分环绕的定子柱子，相比于槽内的径向流动，允许槽内的流体流动进入或离开不同层上导体部分。柱子的径向端明确径向端部分。
[0432] 这些导体结构的变型可与目前的导体系统的其他实施例的其他变型相结合。
[0433] 图71中导体是预成型的以在槽2167的一侧上设置一个间隙2169，所述槽在导体2166的一侧和柱子2164的侧之间。这个间隙2169与一个轴向流动路径2168在柱子2164的端相结合，允许冷却流体在柱子2164的端周向流动，随后轴向地沿着柱子2164的端通过间隙
2168流动，随后在不同层上的两个槽2167的导体之间的间隙2169中径向向外(或向内，如果流动是相反的)。导体2166在每个第一柱子2164的所有侧上具有间隙，并且在每个第二柱子
2165的所有侧上紧密配合。
2168流动，随后在不同层上的两个槽2167的导体之间的间隙2169中径向向外(或向内，如果流动是相反的)。导体2166在每个第一柱子2164的所有侧上具有间隙，并且在每个第二柱子
2165的所有侧上紧密配合。
[0434] 轴向相邻导体层之间的电气连接点可通过很多种方式实现。电气连接点可在轴向相邻导体元件之间，以串联连接轴向相邻的导体元件的电气流动路径。一个实施例使用了一个部分端的槽内的两个导体的重叠表面面积，以提供一个大的用于焊接(或其他电气连接方法)的表面面积。一个槽内来自两层的两个导体的使用允许最多两层的整体槽长度被用作一单一导体。这减少了电气阻抗，足够用于减少那个槽内的冷却需求。这很重要，因为保持一个精确流动通道在一个焊接连接点处是更困难的，因此流体流动在高的产量中更难以被保证。
[0435] 一个允许槽内的两个连接导体的重叠表面的构造在图77中示出。导体2218被涂覆或以另外方式被绝缘，例如层之间的纸或阳极氧化，除了在端槽内来自相邻表面上的导体2218的两接合表面2220和2222的面积将是非绝缘并且通过电气导体连接在一起。构造的方法包含在一个部分的交替端的一个连接点的手动或自动焊接，例如每一层放置于另一层的顶部。预镀锡这些表面将允许这个工艺更精准地完成。这些表面的点焊允许电气连接点不会在关节处增加厚度，并且将会消除过度焊接导致和其他表面不想要的接触的风险。如果使用铝导体，它们可以经过硬质阳极氧化，然后准备镀锡(例如通过在阳极氧化过程中掩盖，随后连接点表面在惰性环境中可被氧化剥落)。当仍然处于惰性环境中时，表面可通过焊锡膏被镀锡或涂层。这保护了铝连接点表面在保存和装配时不被氧化。相同的工艺可用于端连接点2224。在导体2218的一个部分装配时，层可以全部在一个分离组装固定物内被堆叠，或在一个定子内(未示出)。对导体在短时间内施加一高电流，可以创造足够的热来熔化一起镀锡的焊料，或一个回流炉可用于融合焊料或焊锡膏。在层被连接并且导体在定子槽中被定位之后，封装化合物或清漆等可用于移走在定子槽中所有的空气(或其他气体)。
为了确保冷却剂流动通道在使用时打开，封装化合物或清漆等要从冷却剂流动通道中移除，通过一些方式包括但不限于，气流和/或重力和/或离心力。
为了确保冷却剂流动通道在使用时打开，封装化合物或清漆等要从冷却剂流动通道中移除，通过一些方式包括但不限于，气流和/或重力和/或离心力。
[0436] 如果径向内槽冷却流动腔没有在实施例中实施，那么图78的设备仍将提供电气导体2218的更大端翻转圆周的横截面面积(比较于槽部分的径向横截面面积)的有益效果，以减少热产量，并且增加用于冷却的表面面积，并且提供了轴向堆叠端翻转更大的非间断的横截面面积，以允许对于护铁或外罩(未示出)的更低阻抗的热流动，其与端翻转轴向对准。比较于端翻转中相同或更低的横截面面积(正常于电流流动)更大的横截面面积还提供了在端翻转中更大的体积。
[0437] 这个实施例的主动冷却还可通过径向流体流动实现，但是存在没有错过的导体层以致于一个交替的构造可用于提供尺寸和间隔一致的径向流体流动通道。轴向间隔导体是可能的，并且会将导体的一大表面积暴露至流体，但要获得一致的间隙是困难的并且不能很好地适用于带有低刚度的窄导体层。一个或多个导体层可用于比其他层上导体宽度更窄的槽内，和-或一个或多个导体可用于具有相同宽度但周向偏心的槽内，使得导体在轴向方向重叠，但比其他导体更接近于槽的一个圆周侧。通过从一个槽的圆周侧到一个槽的其他圆周侧交替连续或周期性的层，一个非间断的热传导路径可由距离定子护铁最远的导体至槽的底部创造。同时，一个或多个径向通道可在导体层间被创造，以提供槽内的穿过导体表面的冷却剂流动。
[0438] 在一个实施例中，一个槽内的一个或多个导体是槽的全宽度(减去绝缘和装配的间隙)，并且槽内一个或多个层比槽更窄以创造用于流体流动的间隙。
[0439] 在一个实施例中，一个槽内的一个或多个导体是槽的全宽度(减去绝缘和装配的间隙)，并且槽内的一个或多个层比槽更窄并且不在中心以创造一个仅在一个更窄导体的在圆周侧的流体流动的间隙。
[0440] 在一个实施例中，一个槽内的一个或多个导体是槽的全宽度(减去绝缘和装配的间隙)，并且一个槽内的一个或多个导体比槽更窄并且比更宽的导体更厚，使得槽内导体的所有横截面更加一致。
[0441] 与图67中实施例相似，这个实施例使用了在柱子的端的一个轴向流动通道，为流体提供一个径向/圆周/轴向流动路径用于进入或离开轴向流动路径通道。
[0442] 所有的提供冷却剂流动通道的导体实施例，在装配进入定子时为了刚度和热传递可封装以清漆或封装化合物。为了在封装化合物或清漆等硬化之后保持冷却通道，定子应当旋转以使封装化合物或清漆从大流动通道中离心分离。重力滴注引流可在设置/固化/干燥工艺中工作用于粘度足够低的化合物或通过通道的压力气流，还可用于确保流动通道打开并保持打开直到封装化合物、清漆等设置。化合物的粘度和液体化合物移除方法和导体和柱子间的近接触间隙应当被测量，使得液体移除过程能将化合物从通道中清除，但允许化合物或清漆等在近接触间隙中保留。
[0443] 电机中的典型通量控制结构
[0444] 图79中示出的绕组允许非直的柱子形状如弯曲的或可变的宽度的柱子2226。
[0445] 为了增加自穿过转子和定子之间的气隙的永磁体的通量，自永磁体N侧到永磁体S侧的磁链路径可以减少。在一个轴向对准的永磁体转子中，这可以通过一个固体护铁实现，固体护铁由软磁材料例如但不限于如图102中示出的钢制成。在这个案例中，来自一个永磁体2370的通量会链接到一个穿过护铁2372和/或一个护铁2372的相反的轴向面上的相反永磁体2370的相反极性面的相邻永磁体2370。
[0446] 由轴向通量永磁体(AFPM)机械产生的扭矩受到，除开其他方面，转子和定子之间相互作用的通量密度的影响。为了使在转子/定子界面上的通量密度最大化，并且由此能产生最大的扭矩，一个转子可使用软磁材料在永磁体(PM's)切向导向的磁极面之间紧密配合，以将通量引导到转子的所有端的定子界面上。因为永磁体的轴向尺寸可以比可用于它们的可用切向空间大很多，并且软磁材料比永磁体具有更高的饱和值，与定子相互作用的通量密度增加。永磁体切向地设置成NSSNNSSNNS等，使得两个相同极性的极切向地彼此面向。永磁体的交替导向意味着软磁材料在永磁体间向内和向外的延伸变成交替极化的SNSN等，每个径向延伸的通量路径部件在所有轴向端上为相同的极性。永磁体的轴向尺寸的程度可以改变以适用它们的强度，使得可以使用低强度的磁体产生相对高的扭矩。轴向尺寸使得永磁体不会伸出越过交替极性轴向面。
[0447] 为了适应相对的角移动和外部载荷引起的偏转，在转子和定子的轴向面之间通常具有一个轴向间隙，如气隙。永磁体的通量在永磁体之间的软磁轴向部件材料中产生交替的极，并且定子的电磁体的极设置了一个通量路径以连接这些交替的极，甚至在没有电源供应于电磁体的情况下。这导致了转子和定子之间的吸引力。如果气隙更小，转子和定子间的吸引力会更大，所以即使在转子的所有端部带有一个相同的气隙使对定子的吸引力相等且相反，在任何角位置对气隙的改变会导致一个增大位移的净力。这个趋势需要一个轴承和足够的转子刚度以避免转子和定子在装配时的接触。
[0448] 以下所描述的设计包括一个一块的转子结构，其中一种软磁材料如钢或铁或钴或其他软磁材料或合金用于携带通量，同样提供结构刚度。轴承，例如但不限于一个预加载的一对角接触轴承，在转子和静态结构之间提供必要的瞬时刚度以控制偏移和避免共振。
[0449] 在一个实施例中，如图80到图86中示出的转子2228具有设置成NSSNNSSNNS等的切向极化永磁体2230，使得两个相同极性的极切向地彼此面向。转子2228的外部区域2234包括一个向内投影的有规律的或相等间隔的径向通量路径部件2232的阵列，其与同等数量的向外投影的径向路径部件2236有规律地或相等间隔地在转子的内部区域2238相互交叉，并且为永磁体2230提供了一个通量路径。径向部件2232、2236的相互交叉帮助转子2228具有很大的刚性。相互交叉克服了在不产生一个会使磁体2230短路的磁链路径的情况下提供一个一块(或两块)铁素体结构的挑战。转子2228应当有充分的刚性，在转子2228操作的过程中弯曲气隙长度的一小部分。
[0450] 永磁体2230切向交替导向的一个结果是，所有向内投影的与转子2234的外部区域是一块的径向通量路径部件2232，具有一个极性，并且与转子的内部区域2238是一块的向外投影的径向通量路径部件2236，具有一个相反的极性。在这个典型的实施例中，仅转子2228的内部区域2238被，例如轴承(未示出)，支撑在定子外罩(未示出)，尽管增加的轴承可被使用。在转子内部直径上使用轴承仅可以减少制造成本和马达/执行器重量，通过转子的高强度和刚度使其成为可能。在一个实施例中，转子2228的内部和外部区域通过如图82和图83中示出的小标签2240、2242整体连接。图82示出了一个在向内部件2232和转子2238内部部分和外部部件的结构连接点可以通过减少轴向宽度标签2240和/或通过永磁体(未示出)。图83示出了通过减少轴向宽度标签2242在向外部件2236的最外端和转子2228的外部部分2234之间的结构连接点。这些标签会创造从一个内部或外部转子环2238、2234的N磁体面到在其他内部或外部转子环2238、2234的磁体的S面的一个通量返回路径。这个通量返回路径会减少在转子2228和定子(未示出)之间的气隙中的气隙通量密度，但这已经由FEA和FEMM分析所示出，同样也有原型测试，在内部和外部转子部件2238、2234之间的连接点强度和刚度通过标签2240、2242的一个阵列足够获得，其具有一个足够小的横截面以仅允许小百分比的永磁体通量损失。
[0451] 图84示出了一个转子2228的典型的实施例，其不带有磁体2230以示出磁体保持器2244。它们用于轴向定位磁体2230并且位于槽2248的交替端，要求在组装时一半的磁体
2230从转子2228的一侧插入，并且另一半的磁体2230从转子2228的另一侧插入，如图85中所示。每个半个磁体2230的集合会在为装配提升稳定性的相同切向导向具有它们的极性。
磁体2230可使用粘合剂固定在位置中并且可以进一步通过锤击开口槽端进一步保护，例如在与固定片2244相似径向位置的两个位置锤击以减少局部槽宽度使得其小于磁体2230的厚度。通过转子2228的洞2245可允许空气流动，使得在转子2228的所有侧上的定子电磁体(未示出)的冷却可以通过流动空气或其他流体通过外罩结构(未示出)一侧的流动所获得。
通过转子2228的反钻洞2246用于在制造期间夹紧。图86具有内部转子环2238和向外投影通量部件2236的轴向部件的轴向表面，在图中以黑色示出为更清楚的说明向内和向外延伸的通量路径部件2232、2236，其可以全部由一块构造制成，但向内和向外延伸部件2232、2236各自与减少的横截面标签2240、2242磁性地隔离。标签2240、2242可在横截面中比较于径向延伸通量路径部件2232、2236足够小，使得它们从永磁体通量中饱和并且因此不允许显著超过那个通量水平的增加的磁链。
2230从转子2228的一侧插入，并且另一半的磁体2230从转子2228的另一侧插入，如图85中所示。每个半个磁体2230的集合会在为装配提升稳定性的相同切向导向具有它们的极性。
磁体2230可使用粘合剂固定在位置中并且可以进一步通过锤击开口槽端进一步保护，例如在与固定片2244相似径向位置的两个位置锤击以减少局部槽宽度使得其小于磁体2230的厚度。通过转子2228的洞2245可允许空气流动，使得在转子2228的所有侧上的定子电磁体(未示出)的冷却可以通过流动空气或其他流体通过外罩结构(未示出)一侧的流动所获得。
通过转子2228的反钻洞2246用于在制造期间夹紧。图86具有内部转子环2238和向外投影通量部件2236的轴向部件的轴向表面，在图中以黑色示出为更清楚的说明向内和向外延伸的通量路径部件2232、2236，其可以全部由一块构造制成，但向内和向外延伸部件2232、2236各自与减少的横截面标签2240、2242磁性地隔离。标签2240、2242可在横截面中比较于径向延伸通量路径部件2232、2236足够小，使得它们从永磁体通量中饱和并且因此不允许显著超过那个通量水平的增加的磁链。
[0452] 其他变化，包含用于标签的其他非磁性材料的插入件，带有径向延伸通量路径部件的内部和外部部件，如此处示出不具有连接点标签。在这种情况下，带有磁体的主体将是在内部和外部转子环之间的主要结构连接点。
[0453] 例如，由稀土磁体产生的磁力与通量路径部件的通量聚焦效应相结合可产生巨大的轴向力。在这里示出的实例中，在外部直径上大约九英寸可以对定子产生一个高达1500lbs的轴向吸引力。一个合适强度和刚度的结构可用于在使用期间防止破坏和有问题的振动。具有相互交叉部件的转子在相同的径向延伸部件中提供了结构刚度和通量聚焦功能。这些向内和向外的部件的相互交叉提供了在部件切向表面和磁体之间的高表面面积接触，为了有效的通量使用和高强度和刚度。
[0454] 用于轴向通量电机的典型的转子
[0455] 如这里示出，转子可由单块构造制成，或一起夹在两个或更多块中。为了通量路径效果和结构效果，磁体可在任意方向上是任意形状，包含锥形。可使用任意类型的磁体。可使用任意数量的磁体。可使用任意宽度的磁体。转子的一个或两个轴向面可用于与定子组合。可使用多个转子。多个圆形磁体阵列可与不同数量磁体在两个或更多阵列中相使用。这个转子可与执行器或马达或任意磁性机械或具有任意数量相位或极的设备一同使用。
[0456] 以下描述的设计包含了一个两块转子结构，其中一种软磁材料例如钢或铁或钴或其他软磁材料或合金用于携带通量，还提供结构刚度对抗这个设备非常高的磁力以定位转子，并且支撑执行器上的输出载荷。轴承，例如但不限于一个预加载的一对角接触轴承，在转子和静态结构之间提供必要的瞬时刚度以控制偏转和避免共振。
[0457] 图87至图92示出了转子2260的一个实施例，在两个少许镜面像的半部2262和2264中构建，然后将其用螺栓或另外方式紧固或连接在一起。在这个实施例中，锥形磁体2266可与锥形转子部件2268、2269相组合来为磁体2266提供机械保护，并且还允许一个更宽的切向磁体部分更靠近转子2260的中心平面，其中通量路径部件2268、2269的通量密度更低。这更好的利用了永磁体2266的可用空间和软磁材料的可用空间。图90示出了当安装在转子2260中时相同的相对位置中的永磁体2266。这示出了永磁体2266与交替切向极性，NSSNNSSNNS…一同设置，使得两个极性相同的极彼此切向面向。
[0458] 与之前讨论的转子2228的实施例相类似，转子的两个半部2262、2264包括向内投影和向外投影的径向通量路径部件2268、2269。在一个图87中示出的典型的实施例2260中，仅转子2260的内部区域2272被支撑到定子外罩(未示出)，例如通过轴承(未示出)，尽管增加的轴承可以被使用，例如在转子的内部直径或外部直径上。在转子内部直径上使用轴承仅可减少制造成本和马达/执行器重量，并且通过转子的高强度和刚度是可能实现的，这使得增加的轴承对于很多应用来说是不必要的。
[0459] 在一个实施例中，转子2260的内部和外部区域通过类似于图86中的标签2240和2242的小标签整体地连接。
[0460] 图91是一个通过所有转子半部2262、2264切向的截面，其示出了一个在向外投影径向通量部件2269和转子2274的外部部分之间的连接标签2270的轴向程度。这些标签2270会产生一个从在向内投影径向通量路径部件2268上的磁体面到向外投影径向通量路径部件2269的相反极上的通量返回路径。这个通量返回路径会减少在转子2260和定子(未示出)之间的气隙中的通量密度，但这已经由FEA和FEMM分析，同样也有原型测试，内部和外部转子部件2272、2274之间的连接点强度和刚度可以由标签2270的一个阵列足够获得，其具有一个足够小的横截面以仅仅允许小百分比的永磁体通量损失。磁体2266由他们的锥形几何形状正向保持，并且可使用粘合剂进一步的进行位置固定。通过转子2260的洞2275可允许空气流动，使得在转子2260所有侧的定子电磁体(未示出)的冷却可以通过流动空气或其他流体通过外罩结构(未示出)一侧获得。通过转子2260的反钻洞2276用于在制造期间夹紧。
[0461] 向内和向外延伸的通量路径部件2268、2269可全部由一块构造制成，但向内和向外延伸部件2268、2269各自磁性地隔离，除了减少的横截面标签2270和在转子2260内部部分上的相似的标签；这些标签比较于径向延伸通量路径部件2268、2269是足够小的横截面，使得它们从永磁体通量中饱和并且因此不允许显著超越这个通量水平的增加的磁链。
[0462] 尽管，如其他地方所描述的，螺栓、铆钉或其他相似物可用于将转子2260的两个半部2262、2264保持在一起，但一种额外或可选的保持方法是使用带有如图92示出的一个或两个内部锥形面2280的外部环2278。外部环的内部直径可用于确保转子的两个半部2262、2264的同心。这个外部环2278可通过在其和转子的两个半部2262、2264之间产生一个温差来安装。对环2278使用高膨胀材料，例如但不限于，铝合金，将会减少必要温度差以安装环
2278。
2278。
[0463] 各种的实施例可包含：一个相邻于一个定子的转子，在一个定子每一侧的一个转子，在一对背对背的定子的每一侧的一个转子，或这些配置的组合。
[0464] 转子之间带有两块定子的典型的轴向通量电机
[0465] 图93至图97示出了一个电机2281，其中一个定子位于一对背对背定子的每一侧。图94示出了转子2282包括两个少量镜像的半部2283，在这个实例中，从定子基盘2284被两个角接触轴承2286支撑。就之前所描述的设计在定子间具有转子，转子的每个半部2283的外部区域包括一个向内投影等间隔径向通量路径部件2288的阵列，其与相等数量的等间隔向外投影径向通量路径部件2290在转子2282的内部区域的两个半部2283上相互交叉，如图
93中当前实施例的拓展视图所示。定子基盘2284可以是高热传导性材料，例如铝。图95中示出的是这个实施例的定子2292的构造。定子2292包括一个护铁2294、柱子2296和从护铁后的轴向突起2298。在定子后表面上的轴向突起2298在定子基盘2284上固定于槽2300中，通过机械方式或一粘合连接，如图96中示出。一个设备2281的横截面在图97中示出。径向通道
2302在定子柱子2296、定子护铁2294和定子基盘2284之间构成，用于例如空气或液体或一种相变流体的流体的流动，可用于冷却设备2281。每个定子柱子2296通过护铁2294的厚度支撑，并且在定子基盘2284中的一个槽2300中紧密结合。此处使用定子组件示出了定子柱子2296融合到护铁2294，因此没有界面线是可见的。在这个实例中所使用的锥形磁体2304对定子2292的吸引力将他们固定到转子2282的主体中。定位在在围绕定子柱子的导体未在这些图中示出，但将会在与定子位于转子外侧的配置中所描述的这些相类似。
93中当前实施例的拓展视图所示。定子基盘2284可以是高热传导性材料，例如铝。图95中示出的是这个实施例的定子2292的构造。定子2292包括一个护铁2294、柱子2296和从护铁后的轴向突起2298。在定子后表面上的轴向突起2298在定子基盘2284上固定于槽2300中，通过机械方式或一粘合连接，如图96中示出。一个设备2281的横截面在图97中示出。径向通道
2302在定子柱子2296、定子护铁2294和定子基盘2284之间构成，用于例如空气或液体或一种相变流体的流体的流动，可用于冷却设备2281。每个定子柱子2296通过护铁2294的厚度支撑，并且在定子基盘2284中的一个槽2300中紧密结合。此处使用定子组件示出了定子柱子2296融合到护铁2294，因此没有界面线是可见的。在这个实例中所使用的锥形磁体2304对定子2292的吸引力将他们固定到转子2282的主体中。定位在在围绕定子柱子的导体未在这些图中示出，但将会在与定子位于转子外侧的配置中所描述的这些相类似。
[0466] 转子之间带有定子的典型的轴向通量电机
[0467] 另外一个实施例包括一个一块的定子每一侧上都有一个转子。图98示出了电机2306的这样的一个实施例的一个横截面。转子包括了从定子2310被例如两个角接触轴承
2312所支撑的两个少量镜像的半部2308。之前所描述的设计具有转子之间的定子，转子的每个半部2308的外部部分与图81中转子相类似，包括一个向内投影等间隔径向通量通道部件的阵列，其与在转子的内部部分的相等数量的等间隔向外投影径向通量路径部件相互交叉。为了防止通量在转子的两个半部2308之间流动，他们都具有相同的极性。因为每个转子半部2308的内部部分根据磁体的极的导向变成极化，相同磁体的极放置在每个转子半部向外投影径向通量路径部件上。洞2314通过定子2310中心部分被示出，其可用于携带任意可用于冷却设备2306的流体。设备2306的一个横截面在图99中示出。锥形磁体2316在这个实例中被用作对定子2310的吸引力，把他们固定在每个转子半部2308的主体中。定子2310包括少量镜像的定子柱子2318的两个集合。围绕定子柱子2318定位的导体未在这些图中示出，但是与带有位于转子外侧的定子的配置中描述的相似。
2312所支撑的两个少量镜像的半部2308。之前所描述的设计具有转子之间的定子，转子的每个半部2308的外部部分与图81中转子相类似，包括一个向内投影等间隔径向通量通道部件的阵列，其与在转子的内部部分的相等数量的等间隔向外投影径向通量路径部件相互交叉。为了防止通量在转子的两个半部2308之间流动，他们都具有相同的极性。因为每个转子半部2308的内部部分根据磁体的极的导向变成极化，相同磁体的极放置在每个转子半部向外投影径向通量路径部件上。洞2314通过定子2310中心部分被示出，其可用于携带任意可用于冷却设备2306的流体。设备2306的一个横截面在图99中示出。锥形磁体2316在这个实例中被用作对定子2310的吸引力，把他们固定在每个转子半部2308的主体中。定子2310包括少量镜像的定子柱子2318的两个集合。围绕定子柱子2318定位的导体未在这些图中示出，但是与带有位于转子外侧的定子的配置中描述的相似。
[0468] 考虑到从导体到热耗散表面的低热流动阻抗，这个实施例的传导热传递相似于其他实施例，除了这案例中，气隙的导体的顶部是一个热耗散表面。对于冷却，冷却流体通过气隙的主动循环可被设置。比较于在公开范围外的几何形状，线圈的直接冷却还可以从这个配置中的几何形状中获益。一个相似的配置可以由一个定子和一个转子实现。
[0469] 典型的机器人结构
[0470] 以下给出的是作为一个执行器(马达具有一个槽密度和导体体积或其他公开特征的一个公开配置)如何在机器人应用中被使用的非限制实例。这个实例系统的原理图在图100中示出。一个实例系统具备了一个静态机器人臂2336，其支撑一个10千克的额定载荷
2338，并且具有四个执行器2340、2342在臂上间隔排布。因此至少有一个在机器人臂2336上的执行器2340、2342被另一执行器支撑。执行器2340中的三个可以在尺寸和扭矩产量能力上与两个位于在肩部关节和一个在肘关节上的相同。位于手腕上的其余的执行器2342在尺寸和重量上是上述执行器的一半。手腕执行器2342在这个实例中是待用的，并且仅被考虑它的重量被添加到系统中。活跃执行器具有200毫米的平均气隙直径和一个32毫米的径向齿长度。与每个执行器2340、2342相关的外罩和边缘估计和执行器的有效重量相同，使得总质量估计为有效重量的两倍。执行器2340从中心到中心之间的距离是0.5米。每个臂2336的重量估计是任意下游系统包含额定载荷2338的元件的总重量的20％。在这个实例中模拟施加一个对于每个执行器2340中每个定子背部的受迫液体冷却率为700W/m2K。在一个静止的位置下分析该系统，其中臂2336是水平的并且提供充分的扭矩来保持载荷2338。系统所消耗的能量与肘和两个肩部执行器2340消耗的总能量相同。在这个实例中，发现系统能量消耗在公开的范围内显著下降。这是由于设备的重量在所需扭矩上的复合效应。当每个单独执行器的重量下降时，从任意上游执行器需要的扭矩就减少。对于特别的具有特定结构和载荷的任意系统，存在一个几何形状使得系统能量消耗是最小的。得出这个结论所需的计算假设对于连续扭矩有一个70℃限制。在系统中一个执行器必须超过这个温度限制，使得支持载荷，其中任意几何形状被分类为过热和被排除。带有非常大槽间距和导体体积的几何形状过热是因为上游执行器无法产生足够的连续扭矩来支撑下游执行器。它们受到执行器重量的限制。带有非常小槽间距和导体体积的几何形状过热是因为上游执行器无法产生足够的连续扭矩来支撑载荷。他们受到载荷重量的限制。对于任意特别系统的最优几何形状是在产生足够扭矩来满足系统需求和最小化执行器重量来减少总体能量消耗之间的平衡。
2338，并且具有四个执行器2340、2342在臂上间隔排布。因此至少有一个在机器人臂2336上的执行器2340、2342被另一执行器支撑。执行器2340中的三个可以在尺寸和扭矩产量能力上与两个位于在肩部关节和一个在肘关节上的相同。位于手腕上的其余的执行器2342在尺寸和重量上是上述执行器的一半。手腕执行器2342在这个实例中是待用的，并且仅被考虑它的重量被添加到系统中。活跃执行器具有200毫米的平均气隙直径和一个32毫米的径向齿长度。与每个执行器2340、2342相关的外罩和边缘估计和执行器的有效重量相同，使得总质量估计为有效重量的两倍。执行器2340从中心到中心之间的距离是0.5米。每个臂2336的重量估计是任意下游系统包含额定载荷2338的元件的总重量的20％。在这个实例中模拟施加一个对于每个执行器2340中每个定子背部的受迫液体冷却率为700W/m2K。在一个静止的位置下分析该系统，其中臂2336是水平的并且提供充分的扭矩来保持载荷2338。系统所消耗的能量与肘和两个肩部执行器2340消耗的总能量相同。在这个实例中，发现系统能量消耗在公开的范围内显著下降。这是由于设备的重量在所需扭矩上的复合效应。当每个单独执行器的重量下降时，从任意上游执行器需要的扭矩就减少。对于特别的具有特定结构和载荷的任意系统，存在一个几何形状使得系统能量消耗是最小的。得出这个结论所需的计算假设对于连续扭矩有一个70℃限制。在系统中一个执行器必须超过这个温度限制，使得支持载荷，其中任意几何形状被分类为过热和被排除。带有非常大槽间距和导体体积的几何形状过热是因为上游执行器无法产生足够的连续扭矩来支撑下游执行器。它们受到执行器重量的限制。带有非常小槽间距和导体体积的几何形状过热是因为上游执行器无法产生足够的连续扭矩来支撑载荷。他们受到载荷重量的限制。对于任意特别系统的最优几何形状是在产生足够扭矩来满足系统需求和最小化执行器重量来减少总体能量消耗之间的平衡。
[0471] 图101示出了一个机器人臂2348上电机的安装配置。该设置可由图101中原理性地说明，带有三个或更多个执行器。电机2350和2352可设计为公开带有任意一个或多个公开的新颖特征，例如如图56中示出。电机2350和2352在这个实例中作为执行器操作，并且会被指像这样。执行器2350由第一外罩或机器人臂2348的结构部分2354通过任意合适的方式所支撑。电力可通过一个线缆2356从一个合适的电源(未示出)提供给执行器2350。外罩部分2354可附于一个支撑结构，例如一个机器人的另一部分或一个壁2355(原理性地示出)。
[0472] 一个第二外罩部分2358固定于一个执行器2350的转子2360。执行器2352通过任意合适的方式固定于外罩部分2358，使得执行器2352被执行器2350支撑。能量可通过线缆2362提供给执行器2352。执行器2352的转子2364通过任意合适的方式固定于一个机器人臂
2348第三外罩部分2366。如图100中所示的，一个执行器可进一步地包含在外罩部分2366中，并且这个执行器可与图56相一致地制造并且通过线缆2368提供能量。执行器2350、2352和其他在臂上的执行器可通过增加从支撑2355的距离变得更小。在机器人臂2348上的任意执行器可以充分地沿臂间隔以具有360度的旋转，例如执行器2352。
2348第三外罩部分2366。如图100中所示的，一个执行器可进一步地包含在外罩部分2366中，并且这个执行器可与图56相一致地制造并且通过线缆2368提供能量。执行器2350、2352和其他在臂上的执行器可通过增加从支撑2355的距离变得更小。在机器人臂2348上的任意执行器可以充分地沿臂间隔以具有360度的旋转，例如执行器2352。
[0473] 固体和叠层定子或转子构造
[0474] 在一些实施例中，可使用一个叠层定子或转子。在图103中示出了一个叠层柱子定子配置。这个典型的实施例具有一个槽2380的阵列来接受叠层柱子2382的阵列。护铁盘2384可以是一个叠层结构或一个烧结结构或一个固体结构如此处所示。通量的线通常在轴向通量马达中切向移动，因此一个有效的层叠结构会需要每个柱子和护铁的层叠切向地对准。实现这种对准的一种方法是在紧密地螺旋形中缠绕一层层叠层，像一卷胶带，在每一叠层层之间带有粘合层。在线圈固化后，通过加工工艺移除材料以构成径向柱子和槽。
[0475] 具有公开范围内的特征的电机的一个实施例中的相对小的柱子的相当一部分使在定子构造中使用为尽可能少的部分是可取的。如果使用了叠层，那么层叠部分的数量可以通过使用径向对齐层叠来减少，如图104所示。这个实施例构造的一个缺点在图104中原理性地示出，在护铁2384和一个叠层柱子2382的联结处，其中通过护铁2384的由柱子到柱子的通量2386必须通过在叠层层2390之间的一个或多个绝缘层2388。绝缘层(在柱子2382处以粗线原理性地示出)对于减少涡旋电流是有用的和可能必要的，但它们作为气隙，增加通量路径的磁阻，导致了扭矩和效率的损失。这个构造几何形状的另一个缺点是由非常窄的具有公开范围内特征的电机的护铁2384导致的最小的胶合线2392。考虑到一个电机的一个实施例中在柱子2382上的非常高的轴向载荷，对于某些应用来说依靠这个胶合线2392在结构上不是完备的。
[0476] 一种构造被提出用于帮助防止定子柱子在柱子和护铁之间提供金属对金属接触的同时被拉出它们的槽，因此通量不会受迫穿过任意绝缘层。图105和图106示出了一个定子2398和外罩或覆盖部件2412的叠层柱子结构的典型的非限制实施例，覆盖部件提供了足够的拉出强度，并且对于大多数护铁2400和柱子2402之间的磁链连接点也提供了金属对金属接触。为了实现必要的结构整体性，柱子2402通过护铁2400延伸到足够提供多种功能。延伸的材料允许锥形倒钩2404的使用使得组装简便并且提供了一个机械拉出停止。在这个非限制典型的实施例中，倒钩2404靠近狭缝2406，其足够长以在装配期间允许柱子2402的弹性变形。其他机械方式可用于作为机械拉出停止件，允许柱子从一侧的插入，并且随后提供从该侧抽出柱子的阻抗。例如，可以使用一个棘齿状的设计，通过接触柱子和护铁的表面成形，以这种方式防止它们在施加压力至表面的情况下在抽出的方向上相互滑过，或者通过配置一个弹簧来实现，或通过其他机械方式，在将柱子插入定子之后被激活。
[0477] 一个越过护铁2400后表面的柱子2402的伸出部分2408插入带有覆盖部件2412中具有相似宽度的槽2410中。在一个实施例中，这个覆盖部件2412由一种轻质材料制成，例如铝或一种复合材料如碳纤维。柱子2402的伸出部分2408的表面积足以允许带有覆盖槽2410的连接为组件增加必要的刚度，以承受具有在此公开范围内特征的电机的实施例的高磁力。示出的实施例包括一个居中的叠层2409，每个柱子带有一个伸出部分2408；然而，每个柱子上可以使用多于一个具有伸出部分的叠层。
[0478] 在覆盖部件2412内表面上的槽2410之间的径向间隔2414可用于重量的减轻并且可用于冷却流体的流动。同样在图106中示出的是柱子2402中狭缝2416的使用，穿过伸出的中心叠层2409并且穿过柱子2402上轴向地更短的叠层2418，即使更短的叠层2418不包括一个倒钩2404。这允许在伸出的叠层上的倒钩2404在装配期间能够弯曲。
[0479] 在这个典型的实施例中的每个柱子2402在插入定子槽2420之前在子组件中被胶合在一起。随后将导体(未示出)缠绕或放置于围绕柱子2402，并且之后用封装化合物封装导体。在覆盖部件槽2410的稳定效应之外，封装化合物可以为叠层的柱子2402提供圆周的力和刚度。
[0480] 注意到如此处所示的粉末状金属或固体材料带有相似保持特征可用于叠层柱子。如果固体或粉末状金属用于柱子，则认为是不复杂和昂贵的，同样使得整体构造的柱子和护铁的机械强度更强。
[0481] 在这个典型的实施例中磁通量路径的完整性可由在更长叠层2409的侧上使用轴向地更短叠层2418获得，其中一个部分2408伸出穿过护铁2400，如图107中所显示的。为了获得在定子护铁2400和柱子2402之间足够的金属对金属接触用于低磁阻磁链2424，在护铁2400和叠层2409之间的联结2426及护铁2400和叠层2418之间的联结2428的所有绝缘都被移除，如图107中示出。在一个柱子2402上的其余绝缘2430用粗线原理性地示出。不像从图
104中2388的典型的实施例的通量路径绝缘的移除，在图107中2426和2428绝缘的移除导致了叠层2409和护铁2400之间以及叠层2418和护铁2400之间的金属对金属接触用于低磁阻磁链2424。
104中2388的典型的实施例的通量路径绝缘的移除，在图107中2426和2428绝缘的移除导致了叠层2409和护铁2400之间以及叠层2418和护铁2400之间的金属对金属接触用于低磁阻磁链2424。
[0482] 在图107中示出的典型的实施例中，固体护铁盘2400的使用比较于100％固体定子和柱子被认为实质地减少了涡旋电流，是由于护铁具有相对小部分的通量路径(未示出)和因为护铁盘2400可以在轴向上足够厚以比较于在柱子2402中的通量密度减少通量密度。涡旋电流和磁滞损耗随着通量密度增加，所以对于层叠柱子的有益效果被视为值得的特定应用，由固体金属如铁或钴或镍合金制成的护铁盘的使用可提供足够的效率和必要的结构完整性。对使用固体材料的护铁，可使用一种具有低电气传导性(和高热传导性)和高通量密度的合金。
[0484] 铝导体涂层构造和方法
[0485] 公开的电机的一些实施例包括涂覆的铝导体。电机的铝导体的制造和涂覆工艺被公开，包含创造在导体上一个阳极氧化表面抛光用于电气绝缘，以这种方式导体高热耗散和低成本制造是可能的。描述的过程还可利用各种构造和装配步骤以获得高电流密度，尤其当与马达/执行器在公开范围内的组合使用时。这个工艺可在电机的制造中使用，例如但不限于一个电机的实施例。
[0486] 对于公开的电机的这个实施例和通常情况下的电机，创造一个轻质、好的热传递和低成本的导体构造是有益的。电机导体通常由通过聚合物涂层预绝缘的铜线或铝电线或箔制成。铝的优势包含单位体积更低的重量和比较于铜更低的成本。铝的一个缺点是它相比铜具有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氧化表面抛光。阳极氧化的优势是具有一个可以在装配期间保护电线的非常硬的表面，高介电强度，并且具有比较于一种通常用于常用电线导体的典型的聚合物薄膜2-4倍更好的热传导性。
[0487] 阳极氧化铝导体提供了低成本、高表面强度和轻质量的潜力，但是它们在几个方面典型地受限。
[0488] 一个难题有关于锋利的边缘。如图108中示出，阳极氧化，例如草酸或超级酸性阳极氧化，在原始铝表面垂直向内和向外“生长”一层氧化铝3110。这在任何锋利边缘留下较少或非绝缘的区域，指角间隙3108；角间隙还可指边缘间隙。因此，阳极氧化铝导体需要圆形的边缘以防止构成这些非绝缘的部分。使这些边缘成圆形是昂贵的因为它需要增加的机械或化学工艺。硬质阳极氧化的好的边缘覆盖公认为需要.015英寸的半径，所以需要最小的导体厚度为.030英寸。这是非常厚的导体并且会需要不可接受地高的电流，由于在许多应用中槽内翻转的低数量。
[0489] 当平、锥形等导体3100形成，例如使用激光、硬模、刀具、冲孔或精密冲裁工艺，圆化这些边缘的时候，例如使用化学或机械工艺，同样会导致减少导体的横截面面积。对于给定的电流，这导致了更高的电流密度和更高的热产量，以及在导体层之间将热传递到槽的底部或顶部的表面面积的减少。比较于使用相同厚度和宽度的锋利角导体，这三个效应的结合足够在电机内产生显著高的温度。
[0490] 这些原理还适用于在铜或铝(或其他传导材料)上的聚合物涂层绝缘体，但是为了不同的原因。聚合物涂层系统的表面张力倾向于将涂层拉离锋利边缘，因为这个原因，如果电线或导体的边缘是圆形的，它会产生更均匀的涂层。
[0491] 两个典型的实施例的定子截面原理图的对比在图109和图110中所示出。一个定子包括具有锋利边缘的导体，另一个定子包括具有圆形边缘的导体。所有定子都在公开的范围之内，但应用于公开范围外的定子的原理会具有一百分比的有益效果。导体是.100英寸宽和.020英寸的厚度。图109中的定子包括具有热传导性为390W/(m*K)的铜导体3130、圆形边缘和具有热传导性为0.17W/(m*K)的聚合物涂层3134，其中图110中示出的实施例包括具有热传导性为220W/(m*K)的铝导体3110、锋利边缘和具有.001英寸厚度和热传导性为.75W/(m*K)的硬质阳极氧化涂层。对于相同的厚度和宽度，方形导体具有～5％更大的横截面面积，与相邻层具有～20％的更高的热传递接触面积，及与柱子具有将近两倍的潜在热传递接触面积。由于与电流密度相关的i2损失，在圆形导体中的5％的横截面的损失导致了允许的电流密度大约减少了10％，同时圆形导体之间的热传递表面面积20％到30％的减少导致了对于给定定子温度的电流密度的减少达30％或更多，这对于可能的马达性能是实质的减少。由于这些原因，结合通过高速工艺例如精密冲裁之后阳极氧化它们而不圆化边缘构成铝导体的成本效益，这个导体方法和构造提供了显著的成本和性能有益效果。通过FEA分析示出了，公开的导体配置具有足够显著的有益效果，当方形/锋利边缘铝导体的使用与高热传递电气绝缘例如阳极氧化相结合，比较于铜，铝的更高的电阻可以在一些案例中比较于铜导体上的聚合物绝缘涂层部分地或更多地被增加的铝的横截面面积和增加的阳极氧化层的热传导所偏移。
[0492] 基于一FEA热传递分析，发现更高的传导性和铝导体的热传导表面面积的效果，在这个实例中，足够保持一个与铜导体实例相似的最大的导体温度，即使铝导体具有更高的阻抗并且产生大约50％更多的热。因此阳极氧化铝导体比较于具有一个相似最大导体温度的聚合物涂层铜导体具有有益效果。铝导体需要更多的能量，但它们只有铜导体三分之一的重量，因此增加的能量在某种程度上被执行器质量的减少和增加的KR所偏移。阳极氧化铝导体的挑战是对于许多工艺以.010英寸或更小的边缘半径获得好的边缘覆盖。这需要导体比.020英寸厚并且优选地最小为.030英寸。这对于很多马达应用不是优选地，其中更窄的导体会通过允许更多的翻转来减少需要的电流。这导致了.020英寸或更少的导体会从一保护锋利边缘的表面抛光涂层系统中获益的情况。
[0493] 在一个实施例中，一个电机可利用低成本制造工艺的优势，保留锋利的边缘以提供增加的横截面面积，同时提供了固定非阳极氧化锋利边缘的方法。在一个实施例中，边缘保护系统同样用于提供一种固定槽内导体的方法。实施例还使用锋利边缘绝缘方法来固定槽内的导体并且提供大百分比的暴露至冷却流体的导体表面面积。
[0494] 一个将锋利边缘铝导体绝缘的工艺的非限制实例如下所示。铝导体3100可以特定模式从铝片冲孔或冲压或精密冲裁或激光切割等预期堆叠在定子柱子之间。铝导体应当通过一种保留合理的方形边缘的方法所制造。这防止了阳极氧化表面向外成形构成锋利边缘，因此表面张力将易于保持一种液体介电材料，或在边缘增加的静电荷会倾向于吸引介电粉末涂层材料。可以使用多种类型的铝。1100系列铝被认为具有有益于这个应用的高电气和热传导性。可堆叠扁平导体的两个相邻的层3102在装配前并排在图111中示出。在这个图中示出的导体被设计成以交替顺序堆叠。每个导体层E3102作为一个用于电流的流动的传导路径。每个导体层包含一对连接进一个电路的接触标签E3106，以允许电流的流动穿过导体。许多不同的平和非平铝导体配置可用于此处公开的导体绝缘系统的方面的组合。
[0495] 然后导体可在接触标签3106处被掩盖以减少在阳极氧化之后和在连接层3102在一起之前的准备时间。这部分之后在表面的剩余部分上硬质阳极氧化。阳极氧化工艺确保了涂层及顶部、底部和侧表面的保护。由于阳极氧化层3110垂直生长于原始铝表面，任何阳极涂层的正交表面会在他们之间构成角间隙3108(图108)
[0496] 当用聚合物涂覆锋利边缘的时候，表面张力被期望会造成锋利边缘处的涂层变窄。相似地，但是为了不一样的原因，由于涂层的垂直生长，施加于铝的阳极工艺会在所有锋利边缘创造一个不被保护的区域。但是虽然所有这些涂层方法自身都是不足够的，阳极涂层3110的顺序结合随后是介电聚合物涂层3112，创造了一种有利的状态，其中由阳极氧化工艺产生的间隙3108导致了表面张力效应，将液体聚合物吸入阳极涂层3110的间隙3108中。
[0497] 聚合物涂层3112可通过浸渍或喷涂导体来施加。可使用许多不同的聚合物或其他液体涂层如清漆。如果使用环氧树脂涂层，可以将其固化或烘烤至B状态，然后可在最终装配所有导体进定子之后施加最终固化阶段。在所有涂层和固化工艺期间，被认为同足够的工艺控制一起是可能的，以保持一有利状态使得形成在阳极涂层的垂直表面的弯液面对许多应用保持一足够厚的聚合物涂层。图112示出了一个涂覆导体的实例，阳极氧化导体表面具有介电涂层。在所有表面的窄涂层在许多应用中为了绝缘不是必要的，因为阳极涂层在平表面上是十分有效的。低粘度聚合物被认为能够确保聚合物流动进入边缘间隙，同时在导体的其余部分提供窄层的涂层，可用于在最终装配期间通过加热将导体固定在定子中或另一最终粘合工艺状态下。图113示出了通过介电涂层形成的凹弯液面和涂覆角产生的期望结果。当固化或烘烤导体层时，导体层可在一个堆叠中被固化或烘烤在一起以创造一个统一结构。
[0498] 在一个处于已装配状态的公开的电机实施例中，被掩盖的标签3106在导体3100如图114所示一起被堆叠进层中之后被焊接在一起，在定子3116的定子柱子3114之间堆叠有导体对。注意这些区域可以在所有层装配期间或之后点焊接、激光焊接或插头焊接或使用机械方式连结。最后步骤可包含，例如，烘烤已装配的元件使得融化并且固化介电涂层，并且将导体粘合在一起并且粘合在定子上。
[0499] 这个涂层系统具有一定数量有用的特征和有益效果。一个有益效果是可以高速制造导体部分，例如通过精密冲裁，这种方法具有低成本和内在高精度的优势。对于抛光边缘的需要最小或者没有，相比于铜(其必须具有圆形边缘以获得均匀涂层)这减少了成本并且允许更大的表面面积(和铝)以帮助偏移铝的更高的阻抗。去除毛刺工艺可以是有帮助的，但是需要最少的工艺。
[0500] 公开的涂层系统允许对于铝导体的实际的使用，其具有比铜更低的成本和三分之一的重量。涂层系统导致一个非常硬的阳极涂层，比聚合物涂层更坚硬，允许在没有损坏的情况下与定子更紧地配合。硬质阳极涂层还典型地比聚合物涂层具有更高的热传导性，有时系数为三至四倍。涂层系统允许铝导体比已知最小厚度0.020-0.03还要窄的多，以允许所有边缘上0.010英寸-0.015英寸半径。通过设置更高数量的翻转，更窄的导体允许有更低的电流。在这个公开电机的一些实施例中，更窄的层对于导体的直接冷却还具有每槽更大的表面面积。
[0501] 涂层系统在公开的电机与具有相同相位的导体层一起使用时的实施例中工作得尤其好。在一个实施例中，由于在一个截面中的所有层都处于相同相位，因此在层之间具有潜在的最小电压。这允许更窄的阳极和聚合物边缘涂层。不同相位的导体的交织的缺乏允许分层构造。导体的最小的弹性和最小的或无塑性变形允许易碎的阳极涂层在装配期间保持完整。
[0502] 将锋利边缘铝导体的绝缘的工艺的另一个非限制实例涉及粉末涂层。粉末涂层典型地被用于施加均匀的聚合物粉末涂层到具有与粉末相反静电荷的部分上。粉末随后通过应用能量，通常以热的形式，例如通过烘烤导体层，作为连续的涂层融合到部分上。导体层可被支撑在一堆叠中以产生统一结构。具有锋利边缘的铝导体可以用相反带电的介电粉末喷涂或浸渍在相反带电的介电粉末的流化床中。阳极氧化层被用于提供绝缘体以减少静电荷防止造成粉末和平的顶部和底部和边缘表面之间的足够的吸引，同时在锋利边缘上越少的绝缘间隙被期望导致粉末对导体边缘的粉末的吸引的偏置。导体随后从喷雾或流化床移除，并且半或完全融合在导体上，并半或完全硬化。如果使用环氧树脂介电粉末，粉末可在边缘被涂覆后部分固化。导体之后被装配进定子中(或围绕一磁芯，或在电机的一些其他方面中)。在最终装配之后，边缘涂层随后完全固化并且在工艺中与定子和其他导体相结合。
[0503] 取决于工艺条件，期望边缘粉末涂层可以在阳极涂层中的边缘间隙提供部分或全部或多于全部的覆盖。图115示出了一个具有在锋利边缘上完全覆盖间隙的典型的实施例。图116示出了具有多于全部覆盖的典型的实施例。另一个典型的实施例可包括图115或图
116中的实施例，具有一个第二聚合物涂层3120，例如热塑料或环氧树脂或清漆，如图117中所示，应用于导体层上以提供一个粘合层用于允许将导体在最终装配中粘合在一起。
116中的实施例，具有一个第二聚合物涂层3120，例如热塑料或环氧树脂或清漆，如图117中所示，应用于导体层上以提供一个粘合层用于允许将导体在最终装配中粘合在一起。
[0504] 是否使用增加的粘合剂3120或是否将边缘粉末涂层用作粘合剂，实施例可与一种可移除材料的窄层一同组装，例如但不限于在导体间的PEEK或UHMW。这部分之后可被固化，例如使用热量，然后将间隔层拉出移除。
[0505] 图118示出了一个已装配的定子3116和导体3100的截面视图，在一个或多个槽中的一个或多个导体层3102之间有一间隔3118。图199示出了移除间隔前的导体和间隔的截面视图，粉末边缘涂层接触并将导体粘合到每个和/或到柱子侧壁。具有这些最小的粘合点减少了从导体到定子的传导热耗散，但这允许暴露于冷却流体更大的表面面积，例如空气或液体或多相位流体，可用于从导体吸出热量。
[0506] 一种像PEEK或UHMW的材料会拉伸到第二材料状态，其中分子更加对齐，并且塑料在其强度中保持高的百分比，但是它会显著地变得更加窄以至于当用作间隔时允许从导体层之间去除。PEEK被发现在拉伸时非常强，并且也非常耐热，使得它允许承受典型的热固化工艺，但是PEEK必须与一脱模涂层或不粘附于它的粘合剂一同使用。UHMW不太强但是具有优秀的脱离属性，允许无需脱模剂就能够移除。
[0507] 一个定子3116的简化视图在图120中示出，移除了一个间隔3118元件，其中由于拉伸材料使得间隔的一部分变窄。例如，一种如PEEK具有厚度为0.004英寸的材料拉伸到一种厚度仅为0.003英寸的新塑性变形模式。这提供了0.001英寸的间隙用以移除间隔。间隔的拉伸和随后的变窄的发生是沿间隔长度上的导体间磨擦或连接以及施加于间隔外部定位的端的张力的结果。由于间隔拉伸并且变窄，摩擦或粘合接触表面的前缘以被张紧的外部端相反的方向移动，直到足够的间隔被拉伸/变窄以允许间隔完全地移除。
[0508] 代替聚合物或其他粘合剂，如果使用温度足够高的粉末涂层，金属焊接被认为用于将导体粘合在一起并且粘合到定子上是可能的。这具有比较于聚合物非常高的热传递的优势。
[0509] 已描述的构造的阳极氧化导体可用在不同电机上，包含但不限于轴向通量机械、径向通量机械和线性执行器。
[0510] 带有非平面转子和定子的典型的电机
[0511] 一些电机的实施例包括一个包括环形盘的转子，带有通过盘平面延伸的洞。在一些实施例中，洞在内部边缘和外部边缘之间延伸；在其他实施例中，洞可仅延伸到盘的半途中。洞的横截面是圆形，带有正交于盘平面的横截面的平面，其可为转子提供罗马拱形支撑，赋予转子刚性。在转子中使用洞减少了转子中材料的量，导致更低的质量。洞可径向延伸，尽管不是完美地径向；然而，其他排列也是可能的，例如螺旋形的排列。洞可与槽平行；洞可与槽在轴向平面上的投影相对齐。洞与槽可通过开口相连。转子可由一整块材料制造而成例如钢或铁，并且转子柱子可由整块构成。柱子可在转子的内部边缘和外部边缘之间延伸。转子柱子可明确在内部边缘和外部边缘之间的直线，并且可彼此实质地平行。这样的配置可便于磁体的插入。柱子可具有一圆周厚度随轴向高度的反锥形(渐缩)，用于提升磁体的保持。在一个两侧的转子上，转子的每一侧上可具有柱子，并且盘上一侧的柱子与盘的相反侧上柱子各自在垂直于轴的平面上投影对齐。转子可用低密度镁或铝环加固。转子的轴向横截面在离中心不同的径向距离处具有不同的厚度。特别地，转子在离转子中心的径向距离处具有更小的轴向高度，所述径向距离大于内部半径并且小于外部半径。
[0512] 以上描述的实施例，包括一个有洞的转子，具有很多优势。因为它包括更少的材料，转子的质量减少。转子的小横截面在切向方向上与通量路径对齐，比较于磁体的横截面，导致少的通量泄露和高的可能的通量密度，通过使用锥形磁体进一步增加。罗马拱形支撑赋予了刚性。没有延伸的窄部分导致在所有应力区域都收到剪切载荷而不是弯曲载荷。没有明显的长度的窄部分造成弯曲。由于应力相对较低，因此可以使用低成本材料来获得TM TM
足够的刚度，例如铸铁 (Durabar )。转子可仅由一个内部轴承所构建，根据成本和制造复杂性而言是有优势的，并且允许受力感应。可使用一个整体的编码器。在转子装配之后插入磁体的可能性同样有益，由于永磁体之间的力，在工艺中永磁体的呈现可使得装配变得困难。锥形界面允许永磁体和转子材料的完全接触，允许更低的制造公差，并且导致扭矩的轻微增加。锥形槽可使用一大的盘切割器制造，代替使用在角度上具有足够多的柄的小型立铣刀，以提供轴间隙。
足够的刚度，例如铸铁 (Durabar )。转子可仅由一个内部轴承所构建，根据成本和制造复杂性而言是有优势的，并且允许受力感应。可使用一个整体的编码器。在转子装配之后插入磁体的可能性同样有益，由于永磁体之间的力，在工艺中永磁体的呈现可使得装配变得困难。锥形界面允许永磁体和转子材料的完全接触，允许更低的制造公差，并且导致扭矩的轻微增加。锥形槽可使用一大的盘切割器制造，代替使用在角度上具有足够多的柄的小型立铣刀，以提供轴间隙。
[0513] 电机的一些实施例包括一个转子，展示了在内部边缘上的一个轴向高度或厚度，及在第二边缘上的不同于第一轴向高度的第二轴向高度或厚度，及互补形状的定子。例如，第二轴向高度可大于第一轴向高度。一个典型的实施例包括一锥形的转子和定子。一锥形转子或定子分别比类似的平面转子或定子拥有更高的刚度。高的刚度允许保持非常一致和小的气隙。
[0514] 图123示出了一个锥形转子3200的典型实施例的横截面，由低密度镁或铝环3212、3214在转子的内侧和外侧加固；转子可由钢或铁制成。锥形转子可以代替任意非平面的旋转表面，例如具有双曲线或抛物线形状。转子具有一个轴，并且可具有周向间隔的载体柱子，其从环形盘的每一侧轴向地延伸。在这样的一个锥形设备中，转子具有可变的轴向厚度，并且在越靠近轴的内侧沿轴向方向比外侧要窄，虽然这种差异可反转使得转子外侧在轴向方向更窄。
[0515] 图124给出了图123中实施例的特写横截面视图，移除了镁或铝环。甚至在没有镁环的情况下，转子还是难以置信地硬，即使最大的横截面积只有0.015英寸厚。定子槽可以是锥形的。双曲线形状的轴向横截面，不是必须的，允许转子的构造具有更低的质量，并且对于高速加工是非常合适的。穿过转子的护铁3222钻出锥形或圆形的洞3222，并且可以用盘切割器切出槽3224。所有操作都十分快。这样的构造允许质量最小化，同时为所有窄部分提供了一罗马拱形支撑，并且导致了强度和刚度的平衡。重要的是，没有延伸的窄部分。因此，虽然对于通量有许多瓶颈，没有明显的长度的窄部分会弯曲。所有应力区域因此经历剪应力而不是弯曲应力。柱子3226之间的横截面面积是最小的，然而刚度是高的。
[0516] 转子的20％上的计算机分析的输出；带有500牛的力的一半，示出了偏转小于0.0005英寸，并且最大应力仅有2000磅/平方英寸。
[0517] 图123至图127中示出的转子的典型的实施例具有许多优势。锥形形状和罗马拱形赋予了相当大的刚度，这对维持必要的最小气隙是重要的。实施例展示了由于比较于磁体横截面(在切线方向与通量路径对齐)非常小的横截面导致的最小的通量泄露，以及由于最小的泄露路径和锥形磁体导致的最高的可能的通量密度。这个构造是轻质的，并且可由一个内部轴承单独建立。这提供了成本效益并且允许受力感应。可使用一个整体的编码器。
[0518] 锥形界面允许永磁体和转子的材料的完全接触，允许更低的制造公差。此外，该构造允许永磁体在转子的装配之后被插入。由于装配在有永磁体放置的情况下会非常困难，由于磁体间巨大的力，在后装配插入具有一个相当大的安全性和成本效益。机械的磁体保持对于涉及相近磁体间的强磁性排斥的配置是尤其重要的。最小的泄露路径和锥形磁体提供了高的通量密度。由于应力是低的，低成本材料是可能的。
[0519] 由于小特征的高数量，加工可能会非常耗时，但是锥形槽允许：使用大型盘切割器代替具有在一个角度上足够大的柄的小型立铣刀来提供轴间隙；永磁体的机械保持；和～TM5％更高的扭矩。几何形状提供了使用低成本材料如铸铁 以获得大多数有益效果的能力。
[0520] 具有冷却散热片的特别实施例
[0521] 公开范围的设备几何形状会对定子和转子之间的气隙的一个范围内提供扭矩对重量和KR的有益效果，例如，从.001英寸或更低，到高达.010英寸或更高。在公开范围内高的极密度导致一不寻常短的磁场，该磁场倾向于从更小的气隙获益，比较于一在公开范围外的一给定直径的马达。已被分析示出并试验用于175毫米平均气隙直径执行器的一.005英寸气隙是有益的和可获得的，通过实施此处该原理，带有合理的制造公差。
[0522] 图128是一已装配的执行器的实施例的一轴向视图，执行器包括能量和编码器连接器。如图128中示出的，一执行器3000包括一定子3002，其具有散热片3004和一转子3006。转子是图132中示出的组件。能量连接器3008和编码器连接器3010从执行器的一侧延伸。定子3002包括用于冷却的散热片3004、结构刚度和通量路径的提供。如图129中示出，转子
3006沿两定子3002之间的中心平面设置，每一个定子都具有散热片。在图129中，转子具有一个从磁体径向向内定位的输出环。定子3002固定在外罩3014上。轴承3016将转子3006可旋转地连接在外罩3014上，将执行器外罩3014的内部部分3018分离，并且一个分离环3022将外罩的外部部分3020分离。示出的轴承是使用转子和定子之间的大约恒定的磁力的预加载的角接触轴承，将执行器保持在一起。转子3006包括一个永磁体(PM)载体3024和通过永磁体载体3024携带的永磁体3012。转子还包括一个固定于永磁体载体3024的内部环3026，并且通过轴承3016连接到内部外罩环3026。内部环3026包括一个输出环3028，输出环可连接到一个被执行器旋转的元件上。输出环造成这样一个元件相对于另一连接到固定环3050的元件旋转。轴承3016安装在两个座圈之间，在这个实施例中一个内部直径座圈3052连接到外罩3014的内部部分3018，并且一个外部直径座圈3054连接到一转子3006上。永磁体载体3024由软磁材料例如铁合金或钢合金制成，并且由一槽中的永磁体阵列所磁化(槽在图
132中示出)。定子由软磁材料例如铁合金或钢合金所制成。带有高通量饱和密度的软磁材料是典型地非常密集。为了减少执行器的重量，一电机的实施例使用了低密度材料用于内部和外部外罩环和分离环。可用的材料包括铝合金、镁合金或复合材料如碳纤维化合物。
3006沿两定子3002之间的中心平面设置，每一个定子都具有散热片。在图129中，转子具有一个从磁体径向向内定位的输出环。定子3002固定在外罩3014上。轴承3016将转子3006可旋转地连接在外罩3014上，将执行器外罩3014的内部部分3018分离，并且一个分离环3022将外罩的外部部分3020分离。示出的轴承是使用转子和定子之间的大约恒定的磁力的预加载的角接触轴承，将执行器保持在一起。转子3006包括一个永磁体(PM)载体3024和通过永磁体载体3024携带的永磁体3012。转子还包括一个固定于永磁体载体3024的内部环3026，并且通过轴承3016连接到内部外罩环3026。内部环3026包括一个输出环3028，输出环可连接到一个被执行器旋转的元件上。输出环造成这样一个元件相对于另一连接到固定环3050的元件旋转。轴承3016安装在两个座圈之间，在这个实施例中一个内部直径座圈3052连接到外罩3014的内部部分3018，并且一个外部直径座圈3054连接到一转子3006上。永磁体载体3024由软磁材料例如铁合金或钢合金制成，并且由一槽中的永磁体阵列所磁化(槽在图
132中示出)。定子由软磁材料例如铁合金或钢合金所制成。带有高通量饱和密度的软磁材料是典型地非常密集。为了减少执行器的重量，一电机的实施例使用了低密度材料用于内部和外部外罩环和分离环。可用的材料包括铝合金、镁合金或复合材料如碳纤维化合物。
[0523] 传统的轴承排列会具有被轴承的内部直径支撑的转子(旋转轴)和支撑轴承的外部直径的外罩(外部静止结构)，其中轴在外罩内旋转。轴承预加载荷由机械方式所提供，例如螺纹螺母或螺栓紧固环作用在轴承内部直径或外部直径上，并且典型地是以一种试图将轴承移动到更靠近一起的方式。如果一传统的轴承排列应用于优选的实施例中，会因此使得转子依附于连接到轴承内部直径的轴，并且外罩携带的轴向磁力会作用使轴承的外部直径更靠近到一起。随着轴承外部座圈被轴向地推到一起，轴承内部座圈会向外作用轴向力以对受到的载荷反作用；通过轴承产生的作用线的导向被熟知为“面对面”配置。当一对轴承在其之间具有短距离时，比如小于轴承直径(如图128到图135和图138到图140的实施例的案例)，轴承预加载荷作用线的“面对面”导向导致轴组件带有比“背对背”排列低得多的瞬时承载能力。通过将转子的轴安装在轴承外部直径上，并且在轴承内部直径(在不怎么明显的排列中)上对向内的外罩的作用力进行作用，一轴承配置的背对背作用线被获得，在与足够地轴向弹性外罩组合下，使得转子和定子的磁性吸引对轴承施加预加载荷，以某种方式导致轴承平行的作用线之间的宽分离，从而最大化对于给定轴承轴向分离距离的轴稳定性。
[0524] 图130是图128的执行器的一定子3002和外罩3014组件的等距截面视图，带有分层导体3030的部分截面。如图130中示出，根据一电机的实施例，定子在左侧具有柱子3032并且在定子的后表面具有螺旋形的通量路径冷却散热片3004。定子可由各向同性材料例如铁合金或钢合金的一块制成。螺旋形的冷却散热片3004可至少部分地由各向同性材料的相同块制成，并且主要在圆周导向上，以提供在增加用于冷却的表面面积以外的圆周刚度和磁链功能性。
[0525] 图131是一定子3002、内部外罩3018、外部外罩3020和图128的执行器的典型的分层导体3030的轴向视图。导体的相位之间的连接点未示出。分层导体3030设置为围绕柱子3032。
[0526] 图132是一用于图128的执行器的集中的通量转子柱阵列3024和一转子支撑环3026的等距视图，所述转子柱阵列3024固定于转子支撑环上。转子柱阵列3024包含一护铁
3034，其明确了穿过护铁的径向洞3036。
3034，其明确了穿过护铁的径向洞3036。
[0527] 此处示出的轴向通量实施例很适于获得非常小的气隙，因为与定子磁性的相互作用的转子不携带执行器的输出载荷。反而轴承3016位于输出环3028和永磁体载体3024之间，因此输出载荷的变化会相对于定子的永磁体载体的轴向位置上具有最小的效果。在这个实施例中的定子通过在执行器外部直径上的轴向间隔环保持精确的轴向间隔，这防止了定子相对于彼此的轴向移动。这个结构使得设备能够获得并保持.005英寸的气隙用于在每个边界内最小的平均气隙直径执行器。发明人认为.005英寸的气隙用于比在每个边界内最小的马达更大或相等的马达是可以获得的。对于一特别的马达期望的气隙最好取决于对于应用的考虑和给定的制造公差还有结构所承受的载荷。
[0528] 现在指的是图133，实施例具有一集中的通量转子，带有平行面永磁体3038。已示出的锥形永磁体能够提供更高的扭矩，但是使用平行面磁体的简单和低成本使得这成为很多应用的优选实施例。预磁化永磁体可单独地被插入进槽内，或一磁性材料可在非固体状态下被注射、灌注或另外插入。之后通过对转子的极施加非常高的通量密度来磁化永磁体材料是可能的。
[0529] 两个永磁体阵列之间的转子的护铁优选地被配置为将永磁体磁性地保持在槽内。这简化了装配工艺并且消除了在转子上机械的永磁体保持特征的需要。转子可配置为一个轴向侧的永磁体与另一侧上具有相同切向极性的永磁体对齐。备选地，在转子另一侧上的永磁体可以是相反的切向极性。在这个典型的实施例中，轴向对齐的永磁体是相反极性以提供对转子中心平面的磁性保持力。对于从穿过护铁的链接中积极的永磁体保持，为了防止多于必要的通量，一个径向洞3036设置在护铁中并且在转子之间；以在通过护铁的转子柱子之间创造一个通量路径限制，同时仍保持刚性的柱子和护铁结构。一个通向转子柱子的内部的轴向洞的阵列(未示出)提供了另一个通量泄露限制，同时保持一刚性的柱子和端铁结构。
[0530] 角接触轴承3016的集合用于支撑外罩中的转子，外罩固定于内部座圈并且转子固定于外部座圈。具有高强度磁体如NdFeB 52，定子和转子之间的总吸引力可以大于400Kg，用于一具有.005英寸间隙的175毫米平均气隙执行器。这个力在所有时间一直呈现并且总的力在通电操作期间不会以多于10％改变，这是由于由电磁定子的极的交替极性导致定子柱子的同时的吸引和排斥。这个巨大的吸引力必须被支持以创造和保持期望的气隙。公开范围内的马达的优选的小的气隙需要一个比公开范围外的马达更多刚度的结构。同时，通过使用公开范围内的马达可实现的更窄的护铁，以及对于获得设备的全部的扭矩对重量效益必要的更窄的护铁，需要通过一轴向更窄的定子获得的更多的刚度结构，尽管这是两个内在冲突的特性。为了获得所需的刚度，设备的实施例使用了一个居中的转子，相同磁力在所有轴向侧上拉动，和在转子所有侧上的定子的集合，其通过一个分离环3022刚性地连接在它们的外部直径上。在外部直径上的分离环防止定子的外部区域3020将气隙关闭，同时角接触轴承3016防止定子的内部区域将气隙关闭。
[0531] 除了这个结构的刚性，这个实施例通过在定子和/或外罩的端板盘中允许足够的弹性在轴承上提供了一个一致的预加载荷，转子和定子之间吸引的轴向力在轴承上提供了足够的预加载荷以消除轴承间隙并且保持轴承预加载到预设定的悬臂载荷设计极限。
[0532] 在一些案例中，轴承的磁力对于最大悬臂载荷是足够的。在其他案例中，轴承可能需要比转子提供的更高的预加载荷。在其他案例中，由转子产生的力可大于对于轴承必要或期望的力。如果转子力适合用于在轴承上提供预加载荷，那么外罩优选地配置成使得组装的转子和外罩，减去转子中的永磁体，导致外罩接触并不预加载轴承。外罩随后优选地构建以允许在轴向方向中的外罩的足够的弹性偏转，使得轴承变得预加载。
[0533] 如果这个预加载荷不足以承受对于悬臂载荷的最大设计需求，外罩可以构建为在轴承上使用磁力提供一个初始的机械预加载荷，然后在装配时增加这个预加载荷。
[0534] 如果磁力提供比用于一个给定轴承的必要或期望的更多的预加载荷，外罩可以设计为组装时无需在转子中安装永磁体，使得外罩必须弹性偏转以在轴承上施加轴向载荷。在这个案例中，部分磁性转子力会在偏转的外罩和轴承之间创造接触，并且其余的磁性力会提供期望的轴承预加载荷。
[0535] 期望提供一个轻质并且足够刚性的结构以在这些巨大的力下提供一个一致的气隙。通过使用磁力预加载轴承，减少或消除了对紧固件的需要。这简化了制造和组装并且减少了执行器的复杂性和重量。散热片3004允许可由铁或钢或钢合金制成的定子材料的体积可以被包括一个低密度材料例如镁、铝或复合材料的元件所支撑。定子和外罩材料可用螺栓或粘合剂紧固在一起，但是优选地通过外罩和定子的对准特征定位，并且至少部分地由转子的磁力保持在彼此的相对位置。外罩包含定子和轴承之间的部件，其比定子(例如内部外罩3018)具有更低的密度，并且包括一个防止定子在转子方向上移动使得气隙关闭的特征。在一个实施例中，这个外罩部件不具有防止定子部件远离转子移动的特征，因为它会增加重量和成本并且它会使得装配工艺变得复杂。
[0536] 如果磁力不足以在操作期间的所有时间在轴承上提供足够的预加载荷，一个在定子部件的外部半径上的外罩部件设置有一个特征(未示出)，其在定子上对齐并且防止定子部件轴向远离转子的移动。该部件可以固定到类似的部件上，例如沿着执行器的中心线，其在转子的相对侧上向转子拉动。这两个外罩部件可用螺栓或螺纹或使用粘合剂或压合或卡扣固定在一起。定子和/或转子优选地与一个气隙表面形状一同构建，例如一个锥形表面形状，其允许外部外罩部件将定子的外部直径在外罩部件固定在一起之前向转子拉动，并且导致了沿着气隙的径向距离上的一致的气隙，或沿着在定子和转子之间的气隙的径向距离的一个锥形气隙，以允许朝着执行器的轴的更小的气隙。当在转子和/或定子上的力作用使得气隙关闭时，朝着轴的更小的气隙允许定子和转子的内部部分相比转子和定子的外部部分更加轴向地靠近，无需内部部分比外部部分更早接触。这个锥形不允许定子或转子的外部部分做更多的移动，但它们允许对于内部部分一个更小的气隙，不考虑对于这些更小的气隙面积的过早接触。
[0537] 为了提供一个有足够刚度以保持一个一致的气隙的外罩结构，同样足够可弯曲以允许转子永磁体提供预期的轴承预加载荷，对于构造外部直径连接环3022以允许这个典型实施例中两个定子之间轴向移动或弯曲的水平的是有益的。这可能通过波纹管或其他少量盘状或轻微锥形或其他相似形状来完成，使得防止两个定子的相对旋转，同时允许定子之间需要的相对轴向移动的大小。这种弯曲部件或组件可以轴向地在定子之间，或与定子处于一直线。仅需要非常少的轴向移动，并且优选地，由于在气隙中的磁性吸引在制造公差的全部范围中，足以允许所需要的预加载荷施加于轴承之上，和由执行器中的热扩散引起的定子之间的相对轴向距离改变。
[0538] 在图128中的典型的实施例中，磁体的力已由FEMM软件计算出。当轴承没有在组件中呈现的时候，这个吸引力导致了.010英寸的轴向偏转。发明人考虑这是足够灵活以在制造公差的合理范围内获得一个一致的轴承的预加载荷，并且由于热扩散的尺寸改变，对于一个这个尺寸的设备和使用合理的加工公差两者可期望小于每轴承界面的一最大值.002英寸。
[0539] 如果向内拉动定子的磁力大于轴承上期望的预加载荷，在定子部件的外部直径上的一个外罩部件设置有一个对准在定子上并且防止定子部件轴向向转子移动的特征。这个部件，例如分离环3022，可固定于相似的部件，例如沿着执行器的中心线，其还将相反的定子推离转子相反侧上的转子。这两个外罩部件可使用螺栓或螺纹或使用粘合剂或压合或卡扣固定在一起，或他们可以摩擦配合或简单地压靠彼此，或分离环。如图134中示出，他们同样可以是一个单一元件；他们也可以是定子的延伸。定子和/或转子优选地以一气隙表面形状所构建，例如允许外部外罩部件在内部外罩部件固定在一起之前在定子的外部直径上向外推离转子的锥形表面形状，使得导致在装配之后在转子和定子之间的期望的气隙，带有在转子中将定子拉向转子的永磁体。
[0540] 以上构造的元件可施加于一个单一转子和单一定子，或在一中心两侧定子的任一轴向端上的两个外部转子。以上构造的元件同样可施加于一外部输出环配置，带有在定子的内部直径中刚性固定在一起的轴向外部部件。
[0541] 图128至图135和图138至图140中的典型的实施例的热耗散的有益效果是根据一电机的一实施例的原理。槽密度和导体体积在这个设备的大小的边界内，其中从导体到定子后表面的热传导是足够有效的以允许对于施加于定子后表面的给定冷却率的不寻常高的电流密度。定子的后表面的冷却可以通过一定数量的方法实现，包含辐射、传导和对流。冷却散热片3004增加了定子后表面和周围的外罩上的表面面积。如果冷却散热片与定子是一块的并且沿着非径向线或曲线成角度，那么散热片可用作一如图135中一系列箭头所示的通量路径3040。
[0542] 期望相对于护铁的重量，最大化护铁的通量携带能力。通过将冷却/散热片成角度到柱子上，使得一散热片轴向与两个或更多柱子对齐，并且通过构建软磁材料的散热片，例如如果它们与柱子和/或护铁是一块的，那么散热片可用于三种分离的功能。具体地，一个散热片可以以这种方式用作：
[0543] A).径向和圆周强度和刚度
[0544] B).增加用于冷却的表面面积，并且
[0545] C).作为一个整体的通量路径部件。使用冷却和/或刚性散热片来增强通量路径使得有效使用高密度定子护铁材料，以获得总体的轻重量。
[0546] 图136示出了一个在定子的后表面上的冷却/结构的散热片的简化截面视图，其中散热片优选地与定子是一块的并且大于50％径向地(也就是说，它们径向对准小于45度)与定子柱子在一个小于45度的角度上对齐。这允许它们表现一额外的功能，即提供一个在用箭头示出的柱子之间的磁链路径3040。由于散热片在这个实施例中接近轴向对齐并且磁链路径3040在柱子之间对角线地延伸，阴影横截面区域3042标示了通量在柱子之间散热片内通过的更大的距离。
[0547] 在一些配置中，例如图128至135和图138至图140的实施例中，定子在内部直径和外部直径上被支撑，同时柱子提供足够的定子自身的径向刚度。在这个案例中，电机的实施例使用了一系列同心的散热片和沟槽，为从柱子到柱子的通过护铁的磁链提供了相似的横截面面积，比较于50％厚度不具有散热片的护铁，但是散热片和沟槽提供了三个额外的有益效果。第一个是具有在定子后表面上剧烈增加的冷却表面面积的潜能。第二个是在圆周方向上增加了刚度。这对于在定子和转子柱子之间数量的细小差异(导致90度角之间40％-50％的力的变化)的配置是有益效果，并且对于护铁另外足够窄以允许高于期望的圆周偏转的配置是有益效果。通过将一系列同心的冷却散热片整合到固体定子材料中，在不增加定子重量的情况下可以增加圆周刚度。这个构造的第三个有益效果是在护铁中的伪叠层效应，其中多个窄截面会减少柱子之间的定子护铁中的涡旋电流的产生。由于更长的通量路径，这可能会轻微增加穿过护铁的磁阻，但是根据减少的涡旋电流的有益效果被期望部分或完全地抵消这个危害。
[0548] 在这个图137中示出的简化典型的截面中，最大的护铁厚度(即，包含散热片的完全高度)大约是假设的具有50％柱子厚度的非散热片护铁的两倍)。然而，它具有大约相同的横截面面积，所以它被期望具有相似的磁阻。以这种方式，用于热抽出的表面面积可以是非散热片表面面积的很多倍，用于更有效冷却，但是不妥协重量或磁性属性，并且同时提供了增加圆周刚度的额外的有益效果。在图137中示出的实施例中，冷却散热片3454在不与柱子3458对齐的方向上整合进定子3450中。散热片可以是锥形的。一个或多个的冷却槽3456可足够深以创造一个在定子柱子槽3452根部的开口。包含散热片的护铁可具有大于柱子宽度50％的高度。定子槽中的开口允许导体被冷却流体或热耗散元件(未示出)通过传导直接冷却。空气或冷却流体可穿过围绕导体的开口并且通过冷却槽和柱子槽的交叉处，流进或流出执行器。由于导体和定子的加热，冷却流体的移动可以通过受迫对流或通过自然对流。在一个实施例中，定子由软磁材料例如，但不限于钢或钢合金，或铁或铁合金制成，并且与一非磁性材料融合在一起，例如铝或镁合金，沿着融合线或一逐渐转变，例如通过暴露焊接，或增加的制造，例如3D打印和烧结。冷却散热片之后被切入定子的后表面。这提供了增加的表面面积，同时融合材料构成融合的散热片末梢3460，其比定子3450的剩余具有更低的密度和更高的热传导性。紧固突起3462设置在定子3450的边缘，用于固定外罩(未示出)垂直于定子柱子。
[0549] 在公开边界内的马达的特征为具有不寻常低的导体体积和不寻常高的槽密度，这导致了从导体到定子后表面的低热流动阻抗。
[0550] 除了固有的在公开范围内的热耗散有益效果，通过应用一个或多个此处描述的特征，增加从定子后表面的热抽出是可能的。应当注意到以下的一些冷却系统的特征可以应用到系列中的任意马达，包括在公开范围外的马达。然而，一个或多个具有在公开范围内几何形状的这些冷却系统配置，根据连续扭矩密度会导致更高的性能，因为从导体到定子后表面的热流动阻抗是所有这些马达中的限制因素，并且在公开范围内的马达的固有有益效果是从导体到定子后表面的低热流动阻抗。
[0551] 如果一个给定冷却率施加在定子的背部，能够提取来自基于表面面积、在定子和冷却流体之间的冷却率和温度差的设备的热的特定的瓦数。具体地，如果其他所有变量都保持恒定，在与冷却流体接触的表面面积和热提取瓦数之间有一个比例的关系。因此，在受热结构中忽略任何对于温度梯度的改变，任何表面面积的增加会导致从结构中热耗散的大量瓦数的大致的比例的增加。如果表面面积是通过散热片的增加而增加十倍，期望在相同的冷却率下会显著地有更多的热量会被抽出是合理的。相反地，对于具有散热片的表面耗散相同量的热，相比具有其他所有变量保持恒定的一个无散热片的表面，仅仅需要其冷却率的一部分。
[0552] 图128到图135和图138到图140的实施例的冷却(带有整合到定子上的散热片)优选地与一由固体软磁材料制成的固体定子来完成，软磁材料可以是但不限于钢或铁或钢合金例如钴合金，或镍合金，或烧结的软磁粉末材料可以是但不限于铁质粉末或钴铁粉末材料，或可能的其他现存的或还不存在的软磁材料。同样可以使用叠层电气钢，但由于在层之间使用的粘合剂的机械限制与获得高扭矩密度所必要的窄截面相结合，对于取得一种强且刚性的结构是一个更大的挑战。这在粘合剂倾向于丢失部分强度的高温下更是如此。由转子和定子之间的磁力产生的定子的恒定载荷使得这些粘合剂的蠕变成为一个必须要避免的显著问题。因此，一个由100％叠层材料制成的定子在层之间的粘合剂上具有高的应力集中，并且发明人考虑比此处所示的固体金属或烧结金属定子的结构完备性更差。
[0553] 使用转子和定子之间的磁性吸引提供了在轴承上恒定的预加载荷并且减少或消除了用以将执行器保持在一起的紧固件或粘合剂的需要。在一些应用中磁力可在所有时间比预加载轴承所需的更大。在其他应用中转子和状态之间的磁力或可在所有时间不足以预加载轴承。图138示出了图128的实施例的一个配置，其中分离环的轴向面，会在内部外罩的轴向面接触并且预加载轴承的内部座圈之前，接触外部外罩的轴向面向表面。这就是，在装配之前轴承-外罩间隙3044大于分离环-外罩间隙3046。这个结构会通过外罩和定子的弹性变形释放一些转子和定子之间磁性吸引导致的预加载荷。
[0554] 在图139中内部外罩的轴向面向表面，在分离环的轴向表面和外部外罩接触之前，接触轴承的内部座圈的轴向表面。也就是，在装配之前轴承-外罩间隙3044小于分离环-外罩间隙3046。这个配置可以增加在轴承上的预加载荷超过由转子和定子之间磁力提供的预加载荷。然而，这个配置需要外部外罩3020和分离环3022的机械的或粘合的紧固。
[0555] 图140中示出的是一个在定子3002后表面上带有封闭流体通道3048的实施例的横截面视图，例如可用于冷却流体，如气体或液体冷却。
[0556] 参考图140A，示出了一个实施例示出流体在机器3470的外罩3472的流体通道中的流动。冷却流体通过冷却流体输入3476进入一个外部半圆的通道3474。冷却流体流动3492用箭头示出。一个流体通道3490允许流体从外部半圆通道3474到内部半圆通道3478流动。流体流动之后通过冷却流体出口3480流出内部半圆通道3478。
[0557] 参考图140B和图140C，示出了一个围绕执行器内部直径的两个外罩半部3472之间具有刚性连接点3488的执行器3770的实施例。外罩3472的外部直径包括附着特征3486。在操作中，由定子3482和转子3484产生的磁性吸引力将两个外罩半部在一轴向方向上压紧在一起。刚性连接点3488在内部直径上保持结构的刚度。在不具有进一步支撑结构或其他接触点时，例如轴承，转子和定子间的气隙能够被这些磁性吸引力关闭。
[0558] 带有结构和装配特征的集中的通量转子
[0559] 对齐永磁体转子
[0560] 一种已知的永磁体转子配置使用了在通量路径方向极化的磁体。这种类型的转子通过在相邻相反极性磁体之间提供了一磁链路径使用软磁的护铁。软磁材料是一种容易被磁化和消磁的材料。在护铁中的磁链路径减少了在气隙中的通量密度并且还导致了在永磁体和护铁之间的磁性吸引以减少或消除了对于粘合剂或机械固定以将磁体在操作过程中保持在适当位置中的需要。
[0561] 一个电机的实施例可在所有各种配置中与对齐的永磁体转子一起使用。
[0562] 集中的通量转子
[0563] 集中的通量转子使用了交替极性的切向极化磁体，并且是已知的，对于本领域中的技术人员来说，提供在气隙处的转子柱子中潜在的更高的通量密度的可能性大于如果在对齐的永磁体配置中使用相同磁体。
[0564] 一个集中的转子包括一个切向极化交替极性磁体的阵列，由相等数量的软磁材料的通量集中转子柱子的阵列所分离。转子优选地由各向同性或均匀钢或铁合金的一块制成，并构建为使得在相邻柱子之间具有材料的刚性连接点，刚性连接优选地由相同各向同性或均匀材料例如铸造部分或一由相同的各向同性胚料加工的部分制成，使得在柱子和连接材料之间需要最少的或不需要粘合剂。如果一种材料在所有方向上具有相同的结构属性，那么这种材料是各向同性的。如果整个材料始终具有统一的组成，那么这种材料是均匀的。如果转子是双侧的(例如带有一个居中的转子轴向马达，在转子的所有轴向端上具有一个定子)，在转子的一个轴向侧上的一个柱子和转子的另一个轴向侧上的一个柱子之间同样可具有一刚性连接点，刚性连接点优选地由相同的各向同性或均匀材料例如一个铸造部分或一由相同各向同性或均匀的胚料加工的部分制成。由这个刚性连接点创造的从柱子到柱子的通量泄露路径的损失可被具有公开范围内极间距和柱子高度的电机所减少。
[0565] 保持一个电机实施例的扭矩同时提供足够刚度的各向同性结构的关键之一是，使用永磁体磁性强度和比使转子柱子末梢饱和的必要深度还要深的永磁体深度的组合。在轴向通量配置中，永磁体深度被定义为永磁体的轴向长度，并且在径向通量配置中，被定义为永磁体的径向长度。对于径向和轴向通量配置，永磁体宽度被定义为永磁体的切向长度。在径向通量配置中，永磁体长度被定义为磁体的轴向长度，并且在轴向通量配置中，被定义为磁体的径向长度。一旦转子柱子末梢饱和，任何增加的永磁体深度将在扭矩方面提供递减的有益效果。一个电机的实施例使用一个比使气隙上的转子柱子末梢饱和的必要的深度更深的磁体深度，使得通过护铁的泄露的增加的通量对扭矩具有最小的影响。除了增加的磁体深度以外，电机的实施例在通量泄露路径中可使用一个或多个的通量路径限制以减少通过护铁的磁链。
[0566] 除了由永磁体和饱和柱子的排斥力产生的内部应力之外，与这个结构组合，对于一个呈现的设备的实施例的175毫米平均气隙执行器，由高强度永磁体如N52磁体创造的轴向力可超过400千克。保持元件，可以多样地是护铁、侧铁或端铁，提供了允许使用更小气隙的增加的结构刚度。
[0567] 公开的电机的实施例由于集中的通量配置在转子柱子的气隙的端提供非常高的通量密度。进一步地，一些电机的实施例提供通过永磁铁自身的通量来固定永磁体，以减少或消除对于依赖粘合剂将磁体固定到转子柱子上的需要。
[0568] 一个电机的实施例通过使用护铁利用了两个或更多定子的柱子的固体连接的优势。对于一些永磁体通量，护铁具有产生一个短路的明显劣势，使得通量另外链接穿过气隙以提供扭矩，即使永久的通量的大百分比被允许通过护铁从一个磁体柱子泄漏到下一个，但是分析和测试示出此处公开的特定几何形状的允许扭矩的最小损失。
[0569] 使用足够的护铁对提供结构强度和刚度以承受由通过气隙的通量链接产生的巨大的力是有益的。当构建为转子柱子之间的固体铁或钢合金连接点的一块时，分析示出具有公开的极间距和柱子高度的电机的实施例能够保持一个一致的气隙，包含用于一175毫米平均气隙设备的低至.005英寸或更小的的气隙。尽管通过护铁从一个柱子的相反端到一个相邻柱子的相反端的高的磁链，带有集中通量转子的电机的以下配置提供气隙中足够的通量的百分比。
[0570] 带有护铁的深磁体
[0571] 参照图141，一个呈现的设备的一个实施例的一个转子3300和一个定子3330被示出。转子包含转子柱子3304，和护铁3310构成一个连续的结构。转子柱子3304和护铁3310由一个均匀和各向同性材料所构成，其中转子柱子3304是从护铁均匀的延伸。转子柱子3304之间的间隔明确了转子槽3306。转子槽3306被永磁体3302填充。定子3330包括定子柱子3332和导体层3334.
[0572] 永磁体3302在气隙3308上具有一个磁饱和深度，在该深度上转子柱子3304的端是饱和的，并且增加的磁体深度3336不会显著地增加气隙3308中的通量密度。超过这个永磁体深度发现护铁的使用对于气隙上的通量具有减小并且随后最小化的效果。在一1:1的磁体深度对磁体宽度比例，护铁对于气隙上的通量密度具有显著的有害效果。在2:1和4:1的比例上，通过气隙的通量密度有连续地更小的损失。
[0573] 图141同样示出了永磁体宽度3338，如以上所明确的，转子柱子深度3340，和定子柱子深度3342。转子柱子深度和定子柱子深度定义为当在一个轴向通量配置中转子或定子柱子在轴向方向上的长度，或当在一个径向通量配置中转子或定子柱子在径向方向上的长度。
[0574] 为了提供足够的结构强度和刚度，实施例使用了一长于用于获得最大气隙通量密度的必要的长度的磁体深度。这些过深的磁体在没有护铁的情况下需要长度大于必须的转子柱子，导致了在一个轴向配置中轴向更长的转子结构，其具有增加转子的强度和刚度的效果。此外，实施例包含软磁的护铁，优选地与柱子部件是一块的。与额外的轴向柱子长度相组合，护铁特征提供了一个一块的转子柱子阵列构造，其具有高强度和刚度。
[0575] 除了增加的转子柱子的长度以外；其增加了转子的强度和刚度，一个过深的磁体的次要的有益效果是在气隙处的高度饱和的转子柱子。因此，与小的气隙相组合，一个用于结构刚度和强度的厚护铁可以在不剧烈减少气隙处通量密度下使用。
[0576] 设备的实施例提供了永磁体的额外深度和转子柱子以助于必要的刚度。同时，这些永磁体的增加的深度使得转子柱子之间的刚性连接点成为可能，其在转子柱子之间具有优选地一块的磁性的软护铁，不会剧烈地影响气隙上的通量密度。
[0577] 本领域技术人员可能会想到一护铁特征会对集中的通量转子造成危害的一个原因会是对于高百分比的来自磁体的通量会链接从柱子到柱子通过护铁的低磁阻通量路径的期望，代替从气隙的高磁阻通量路径中链接穿过。然而，即使这个构造会产生非常强的磁力，护铁的一个效果是提供足够高的强度、刚度和蠕变阻抗，使得可以获得一个非常小的气隙。通过将气隙下降至.005英寸或更低，气隙的磁阻通常会不寻常地低，使得通过护铁的磁链路径预期要比具有更大气隙危害更小。
[0578] 对于期望最大的通量密度的应用，和在一集中通量转子需要由使用包括一护铁元件的一块构造提供的高的强度和刚度的应用，增加永磁体和转子柱的深度增加了气隙中通量密度以使该通量密度等于或者超过具有更短永磁体且不具有护铁的气隙的通量密度。
[0579] 在这种方式下，这个呈现的设备的实施例通过使用一统一的软磁材料柱子阵列和护铁提供一高强度、高机械刚度的集中的通量转子，并且通过使用增加磁体深度和柱子高度使得气隙通量密度最小约简来实现。
[0580] 带有护铁结构的磁体保持
[0581] 参照图142至图143，设备的实施例使用一系列几何特征和参数，提供了一通过护铁的磁链路径以提供一磁力作用以保持永磁体，包含在高电流和无电流的状态下。通过护铁的磁通量产生一吸引磁体进入槽内的磁力，因此帮助保持磁体。为了确保永磁体始终磁性地在槽底部磁性地被保持，该设备的一些实施例的几何形状是使得链接穿过转子柱子和护铁的总的磁通量高于链接穿过气隙的通量。还优选地，在各种其他影响条件下，当定子在最大电流被通电时，链接穿过转子柱子和护铁的总的磁通量高于链接穿过气隙的通量。
[0582] 有多种方式通过转子而不是气隙偏置磁链。一些非限制实例在此处示出。磁性保持永磁体在槽内的其他方法是可能的。任意通过转子护铁提供比通过气隙更大的磁链的构造具有提供一磁体上的磁性保持效果的潜能。优选地使用粘合剂将磁体固定在槽中，但是在这个案例中粘合剂的目的不是防止磁体的脱离，而是防止操作中磁体的振动。
[0583] 锥形槽
[0584] 使用机械力和磁力的组合来提供力以保持转子槽内的磁性同样是可能的。锥形磁体可以提供一个结构，其中显著比例的磁通量通过气隙，同时将磁体保持在转子槽内。
[0585] 在切向上成锥形使得它们朝着气隙变得更窄的磁体，可以在集中的通量转子配置中提供高性能。参照图144，在一个轴向通量配置中示出了一个转子3300，磁体3302具有锥形的端3316和带有锥形端3318的转子柱子3304。磁体和转子柱子在相反的方向上成锥形以构成一个互锁的排列。永磁体在定子3330的方向上成锥形，同时转子柱子3304在远离定子的方向上成锥形。在这个实施例中，两个实质镜像的转子3300可以在一对定子之间装配，每个转子的锥形的柱子背对背接触，并且每个转子的成锥形的磁体背对背接触。以这种方式将磁体3302成锥形，允许在气隙3308处更大的转子柱子宽度。还允许在磁体锥体的宽的端具有更大的磁体宽度3338，以提供从气隙3308更多的通量给转子柱子3304，其中如果两侧是平行的，那么柱子3304倾向于少量饱和。以这样的方式，活跃的永磁体3302和软磁材料可以被更有效地使用以在气隙3308处提供更多的通量。两个转子部分可以例如通过粘合剂固定在一起，但是在一些优选的变化中，机械特征例如螺栓(未示出)或固定环(未示出)可以被使用。
[0586] 锥形柱子3304和磁体3302的互锁排列防止永磁体脱离，这减少了对用于将磁体保持在转子中的磁力的需求，并且因此减少了磁通量穿过端铁3314泄漏的需要。
[0587] 在一些实施例中，一通量路径限制3328的一个阵列可以在端铁3312中构成，例如，在每个转子3304底座处的端铁3314中的洞，其中它们与端铁3314相连接。这些通量路径限制3328减少了在转子3304和端铁3314之间的可用的通量路径。
[0588] 图144示出了一锥形槽转子的轴向通量配置，但是锥形槽转子可以等效地在径向通量配置中构建。锥形磁体可远离或朝向相反的载体变窄。
[0589] 以这种方式使磁体变锥形的第二个效果是将高百分比的通量从一个永磁体向气隙偏置。这在至少两方面是有益的。第一是锥形永磁体可以被拉向气隙，其中它们会关闭永磁体和转子槽壁之间的气隙用于更低的磁阻磁链并且机械地防止它们进一步移动，并因此被锥形转子柱子所固定地保持。第二，在后表面更窄的转子柱子导致沿转子的中心平面从柱子到柱子更大的距离。这减少了通过沿转子中心平面的柱子到柱子的空气泄漏的数量。通过组装两个实质地镜像的带有锥形柱子和背对背的锥形磁体的转子半部，永磁体的大百分比的通量可以受迫连接穿过气隙。
[0590] 以这种方式，在气隙中可以获得非常高的通量密度，同时磁性地和机械地保持磁体。一种有成本效益的制造锥形转子柱子转子的方式是使用两个背对背对称的转子3300。这种构造不允许护铁3310的使用来硬化转子，而是代替使用一软磁的端铁3314。端铁3314具有优选地尽可能窄的部分来通过端铁在转子柱子之间产生高磁阻通量路径，并且必要厚以提供机械强度和刚度以保持一小并且一致的气隙。
[0591] 为了补偿从通过端铁连接的柱子到相邻柱子的通量的损失，一个实施例在气隙3308处使用比软磁的定子柱子3332更长的永磁体3302。这在图145中示出，其中永磁体3302显示为比转子柱子3304更长，转子柱子可与定子柱子3332具有相同或几乎相同的长度。比较于定子径向长度，通过增加永磁体的深度3336，永磁体3302可以足够使端铁3314饱和，同时仍然在气隙处的转子柱子保持高通量密度。
[0592] 转子的制造方法包含铸造或成型或粉末金属构造、增加制造、加工等。磁体的加工可以通过成型或增加或消减制造来完成。磁体还可以在插入槽中之后被磁化。这是可能的，通过现有的或未来的工艺可能会使粉末状的硬磁材料压入转子槽中并且在压入之后磁化永磁体材料，或在环氧树脂或其他聚合物中的永磁体材料的泥浆可以用来填充槽，并且在硬化之后磁化。硬磁材料的磁化可以通过对两个或更多柱子同时施加一个高通量密度来完成。
[0593] 护铁、侧铁和端铁作为保持元件并且和转子柱子形成刚性连接点。一个实施例的特征可以与其他实施例的特征相组合。
[0594] 典型的集中的通量转子配置
[0595] 参照图146和图147，示出了一个径向通量配置中的集中的通量转子的实施例的倾斜截面视图。转子柱子3304包含一转子护栏3320，其防止磁体3302径向地移除转子槽3306。转子柱子3304被侧铁3312所连接(未在图146中示出，但是见图147)。侧铁3312创造一磁链路径，其允许磁通量穿过侧铁3312并且创造永磁体3302和侧铁3312之间的磁性吸引力。侧铁3312和转子护栏3320的组合将永磁体3302正向地保持在转子3300内。在这个实施例中，转子柱子3304的部分被释放以帮助保持磁体在槽的底部(在这种案例中径向向外)并且固定一个磁体。
[0596] 图148示出了一集中的通量转子柱子3304和与铣刀组合的侧铁3312的倾斜截面视图，其用于从一个单块材料例如软磁材料构成柱子和侧铁结构。一个常规的立铣刀3370可用于将一宽的凹槽切割进块中，从转子的外部圆周工作。一个更小直径的立铣刀3372可用于构成一个凹槽使得永磁体3302可以插入其中。然后可用一个释放轴的立铣刀3374来铣削转子柱子3304以构成转子护栏3320。更小直径的立铣刀3372和释放轴立铣刀3374可以从转子3300的内部圆周工作。一个或多个壁可以被留在材料块的轴向端上以形成侧铁3312.[0597] 同时图146到图148示出了一径向通量配置，可以使用等效的结构和方法来形成一个这个设计的轴向通量配置变形。
[0598] 现在参照图149，一个槽的几何形状在图146至图148中示出的实施例的转子的线性表示中的原理图FEMM分析中示出。图149示出了转子的两个槽几何形状的通量路径。在原理图左侧的四个永磁体3302是矩形的。在原理图右侧的四个永磁体3302具有一个锥形端3316，其增加了将永磁体3302保持在槽内的磁力。这具有减少对其他将永磁体固定在槽内的方法的需要的优势。
[0599] 图150示出了一个带有端铁3314的径向通量配置中的转子3300的实施例的一个倾斜截面视图。在这个实施例中，转子柱子3304包含转子护栏3320和锥形转子柱子端3318。锥形转子柱子端3318可以用于减少转子3300的重量。转子护栏3320可以帮助保持永磁体3302并且在一些变形中可以完全延伸穿过槽以构成一个护铁3310，提供额外刚性的效果并且通过磁力帮助将永磁体3302保持在槽内。
[0600] 参照图151，示出了一具有端铁3314的定子-转子-定子的配置。端铁3314和转子柱子3304可以由等距的软质金属材料的单一块构成，带有与转子柱子3304相配合的永磁体3302的单一阵列。端铁3314在转子3304的所有端形成。在这个实施例中，可以如图152所示的包含通量路径限制3328。
[0601] 图152示出了一个具有护铁3310、端铁3314和通量路径限制3328的定子-转子-定子配置的一个实施例。在这个实施例中永磁体3302的两个阵列被护铁3310所分离。通量路径限制3328在永磁体3304的端作为孔形成，以减少端铁3314中的通量泄露。
[0602] 图153示出了一个转子-定子-转子配置的实施例。两个集中的通量转子3330与一个居中的定子3330紧密结合。每个转子3300包含端铁3314和通量路径限制3328。在很多应用中为集中通量转子3300提供刚度，仅端铁或仅护铁即足够。
[0603] 图154示出了一个转子-定子-转子配置的实施例。该实施例本质上与图153中示出的是相同的，在每个转子3300上添加一个厚的护铁3310。
[0604] 图155示出了一个梯形的定子-转子-定子配置的实施例。不带有导体层3334的定子3330被示出。转子3330包含一个护铁3310和端铁3314并且在沿着圆柱形的轴向方向上的横截面中具有一大致的梯形形状。转子由两个转子半部组成，并且都与护铁3310和端铁3314的组合来为转子提供高的机械刚度。图156示出了图155中示出的一个定子-转子-定子配置的实施例的一个变形，仅带有一个端铁3314并且不带有护铁3310。
[0605] 图157示出了一个梯形的转子-定子-转子配置的实施例。不带有导体层3334的定子3330被示出。转子3300包含在永磁体3302的端上的内部直径和外部直径端上示出的端铁3314。在这个实施例中，转子3300的后表面与一个低密度外罩元件互锁。图158示出了图157中示出的一个梯形的转子-定子-转子配置的实施例，带有一个护铁3310并且不带有端铁
3314。
3314。
[0606] 图159示出了一个线性通量的机械的转子-定子-转子配置的实施例。定子3330具有柱子3332的一个阵列，导体3334没有示出。转子围绕定子，并且由一或多块材料制成，例如，一种各向同性的软磁材料。用于在转子外罩3300的内部结构上的永磁体3302的接受槽用作转子柱子3304、转子护铁3310和转子端铁3314。一个线性马达的很多结构是由发明人所构思的。例如，转子3330的侧部分可由与转子的上部和下部部分不同的材料制成。图160示出了一个图159中示出的线性通量机械的转子-定子-转子配置的实施例，其中在转子3300上不带有护铁3310。
[0607] 图161示出了一个线性通量机械的定子-转子-定子配置的实施例，其带有由两个磁体3302阵列构成的转子3300，磁体阵列被转子柱子3304和护铁3310所分离。就其他集中的通量转子，永磁体在线性方向上交替极性，并且可与护铁另一侧的相反磁体具有相同的极性，或可具有与护铁另一侧的相反磁体的相反的极性。在这个实施例中活环可以由各向同性的软磁材料制成。图162示出了一个线性通量机械的定子-转子-定子配置的部分装配的实施例，其中转子3300具有端铁3314并且不具有护铁3310。在这个排列中，永磁体停止件用于定位磁体在槽内的精确位置。在转子顶部和底部的永磁体可由相同极性或相反极性制成，但是优选相同极性以减少从顶部到底部磁体通过转子柱子的磁链。转子柱子3304和端铁3314可由一单块各向同性的软磁材料制成。
[0608] FEMM分析已经示出了从转子柱的侧部分移除材料会导致在永磁体上一个正向的保持力，其具有减少转子质量的额外的有益效果。
[0609] 图163和图164示出了一个各向同性的转子柱子阵列，在朝向转子的中心平面的转子柱子壁上具有一个间断的护铁3310和一个护栏3322。在这个实施例中，永磁体周向地被极化，并且具有与轴向对准的相对物相反的极性。这个效果是将永磁体在被动状态中通过显著的力保持在槽的底部，即使超过50％来自永磁体的通量线链接穿过气隙。如此处所示，为给一个具有间断护铁的实施例提供一有足够强度和刚度的各向同性的柱子和连接器部件，将会需要在转子柱子(未示出)的至少一端上具有一个端铁连接器。永磁体(在图163的Z轴上)越长，端铁在气隙中的通量和扭矩(或在线性马达案例下的力)可以产生的效果越小。
[0610] 横向通量机械
[0611] 对于公开的几何形状对于马达类型的应用，例如横向通量马达，可能有其他会影响热耗散的程度的设计考虑，及其他在公开范围内可以实现的优势。例如，对于一个横向通量马达，柱子的宽度(在与线圈的轴平行的方向上)独立于极间距。然而，这个宽度影响了系统的重量，因为这直接与定子护铁的必要的厚度有关。必须考虑柱子的轴向宽度对线圈的轴向宽度的比例。如果这些数量减少，那么总的气隙表面面积和导体截面面积可以通过将整个组件轴向排列来保持恒定。因此，最优的扭矩对重量和热耗散还取决于阵列的间距和柱子的轴向宽度。
[0612] 典型的横向马达
[0613] 有很多已知的横向通量马达的变形。根据呈现的设备的原理，此处示出的是一个横向通量马达的非限制典型的实施例。尽管使用更少或更多的相位会产生不同的效果，此处示出了两个相位。在第一个实施例中，如图165到图166B中示出，通量在稍微径向的方向上从转子到定子链接穿过，但是横向通量原理的变形可具有轴向地或以与设备的轴成一个角度的通量链接，例如，如图167到169中示出。
[0614] 参照图165到图166B，示出了一个典型的横向通量马达3410。横向通量马达3410可具有一外罩3412并且使用两个定子半部3430和一个定子3420。定子3430包含导体3432和定子柱子3434。示出的导体3432包括圆周导体线圈，但是可使用导体的不同变形。此处所示的两相设计中，每个相位有一个导体线圈3432，每个导体线圈具有多个翻转。一个集中的通量转子3420可以如图166B中所示使用。集中的通量转子3420使用带有切向极化交替极性的永磁体3422。转子同样可包含通量限制洞3428和一个护铁3426。护铁3426和转子柱子3424可由一单块各向同性的软磁材料生产而成。在这个配置中，从转子和定子之间气隙穿过的的通量流动在径向方向上。
[0615] 由于从定子柱子的外部半径到圆周导体槽的外部半径的低径向距离，公开范围内的热耗散的有益效果应用于典型的横向通量机械。由于横向通量电机典型的1:1的定子柱子对转子磁体比例，转子的高极密度与定子内相同的槽密度相对应。
[0616] 就许多两相位横向通量机械，每个定子上的定子柱子具有偏移半个间距的柱子。随后定子互相偏移1/4的间距，因此马达可以在任一方向上通过控制电流向每两个线圈传送恒定的扭矩。
[0617] 由于公开的几何形状导致的柱子到柱子的通量路径的窄部分，发明人相信，比较于在适用于机器人的速度上叠层形式的相同材料，各向同性的软磁定子材料会提供增加的扭矩和效率。
[0618] 参照图167到图169，示出了一个横向通量机械，带有一通常地穿过在转子和定子之间的气隙的轴向磁链路径。在这个配置中，一集中的通量转子3420在外罩3412中两个定子块3430之间被保持。在这个配置中磁通量从转子3420和每个轴向方向上的定子3430之间的气隙中流动穿过。在这个配置中转子3420包括两个磁体3422的阵列，两个阵列被一个护铁3426分离，并且每个阵列中的磁体设置在转子柱子3424之间。在径向导向的横向通量马达中，护铁3426和转子柱子3424可由各向同性的软磁材料的一单块所生产。
[0619] 用于一些实施例的通常原理
[0620] 任意公开的结构可与一具有电磁元件的电机一起使用，所述电磁元件包括柱子和柱子之间的槽，其中柱子被缠绕以产生极，至少在定子或转子中的一个上，其中极密度在由这个专利文件中说明的等式所明确的极密度的范围内并且柱子高度在由这个专利文件中说明的等式所明确的柱子高度的范围内。这些等式各自明确一有界区域。有界区域取决于电机的尺寸，其中尺寸由电机的半径所明确。有界区域一起在由机械的极密度、柱子高度和尺寸明确的空间内明确了一有界表面。对于一电机的每个半径，发明人相信有界区域是新的且不明显的。
[0621] 基于模型研究和FEMM分析，至少在一特定的极密度和对于一特定的导体体积或对于一给定的马达的直径的柱子高度外，发明人相信：1)如公开的一个电机具有极密度和导体体积或柱子高度，比较于具有更低极密度和/或更高导体体积但具有相应热耗散效果的另外等效机械，对于给定的扭矩或力具有更高的热产量(并且因此具有更低的效率)；并且2)比较于具有更低的极密度和/或更高的导体体积的另外等效电机，增加的极密度和更低的导体体积或柱子高度还具有减少质量的效果，具有总体上增加的扭矩对质量比例(扭矩密度)。
[0622] 一个具有更高扭矩对质量比例的电机在几个电机在一个臂上间隔布置的时候尤其有用，例如一机器人臂，因为相对于电机提升或加速一个或多个其他电机的需求而言，效率没有那么重要。发明人相信一个具有如公开的极密度和导体体积或柱子高度的电机的改进的性能至少可以部分从1)一个具有从最热的导体到一柱子的更短热流路径的狭槽和2)一个从柱子顶部到热耗散表面的更短的热流路径的产生。
[0623] 例如，每个公开的电机实施例示出为具有在极密度和柱子高度限定内的极密度和柱子高度，这被认为提供了KR方面的有益效果。
[0624] 例如，具有在0.5和更高的范围内的极密度并且考虑到一个槽和齿一样宽是不寻常的，对于25毫米宽的机械来说齿宽可以是1毫米。可以使用更窄的齿。更窄的齿的一个优势是，由于齿更接近于正常的马达叠层的厚度，固体材料例如但不限于钢或铁或一磁性金属合金，可与最小的涡旋电流相使用。对于这个尺寸的马达的一个通常的马达叠层可以在0.015英寸到0.025英寸的范围内。所提出的极密度和齿的几何形状(许多短的柱子)还帮助在第一载体(定子)中避免涡旋电流。例如，对于一个具有144个槽的电机，在200转每分钟和
70安每平方毫米的条件下的绕组中，涡旋电流损耗对于总的阻抗损耗仅占7％。使用固体(非叠层)材料在强度、刚度和可靠性上提供了优势。
70安每平方毫米的条件下的绕组中，涡旋电流损耗对于总的阻抗损耗仅占7％。使用固体(非叠层)材料在强度、刚度和可靠性上提供了优势。
[0625] 公开的机械的实施例可使用分数式绕组。一些实施例可使用分布式绕组；另一个实施例使用集中的绕组。由于在端翻转中更多的铜使得分布式绕组更重并且能量更低(需要一个更大的马达)。它们还需要更厚的护铁，因为通量必须至少穿过三个柱子，而不像在分数式绕组中到下一个柱子。分布式绕组产生更多的热量，因为更长的导体(端翻转必须连接之间的更长的距离的结果)。
[0626] 一个具有提出的极密度的电机的实施例可具有任意合适数量的柱子。柱子的最小数量可以是100个柱子。高数量的柱子允许每个柱子上更少的绕组。在一个非限制典型的实施例中，每个柱子上的绕组仅有一层厚(周向地测量，从柱子向外)。这减少了气隙和/或封装化合物间隔和/或电线绝缘层的数量，其中对于传导耗散热到定子柱子的导体而言，来自导体的热量传导通过。这对于热容量(对于瞬间的高电流情况)和连续的操作冷却而言具有有益效果。当通过气体或液体冷却剂与导体直接接触的方式直接冷却线圈时，低数量的圆周层，和例如一个在柱子上电线的单一圆周层，与高的极密度相组合，导致了一个非常高的暴露至冷却流体的导体(相对于导体体积)的表面面积。这有对于冷却导体是有益的并且是许多种典型的利用公开的低导体体积优势的方式之一。每个柱子上单排(或低数量的排)的线圈还减少制造复杂度，允许更低成本的生产。在另一个实施例中，每个柱子的绕组是两层厚。
[0627] 对于一个175毫米或更多的平均气隙电机，槽的数量可以是60或更多，或对于一个轴向通量电机可以是100或更多，例如在一个典型的175毫米直径的实施例中的108槽。此外，对于这种电机，柱子的平均径向长度对圆周宽度可大于4:1，例如8:1，但可达到10:1或更高。对于典型的108槽实施例，比例是大约8:1。具有这样的配置，热耗散被提升。较低宽高比例会是用于非常小的扭矩的大量材料，所以宽高比例帮助获得了对于高KR和机器人有用的扭矩，同时利用了热耗散效果的优势。
[0628] 在一个实施例中，一个电机可以与分层结构一同构建，这允许，例如，主要元件可以由导体材料的片状原料例如，但不限于，铜或铝制成，以及绝缘材料例如，但不限于，介电涂层、芳纶TM(NomexTM)或其他片状绝缘体，或对于铝制导体使用硬质阳极氧化表面处理。导体层可使用高速且低成本的制造工艺制造，例如，但不限于，激光切割、冲压或精密冲裁。代替围绕柱子缠绕导体电线，导体电路可被冲压并且之后在层内装配。如果绝缘层交替地在每一导体层上使用，在一些配置中，导体层可不带有绝缘涂层而被组装。备选地，为了额外的绝缘效果，或消除分离的绝缘层的需要，导体电路层可以在装配前绝缘涂覆。
[0629] 非电气传导的(或绝缘电气传导的)材料可用于与导体层相同的分层上以提供结构完整性和热沉/耗散品质。导体层之间的槽内的非填充层，或导体层之间槽内的部分填充层(由足够窄以至于创造非填充间隙的导体构成，对于一个槽的径向长度而言)还可用于为冷却气体或液体提供一流动路径，使得在一层上的开口或部分开口槽构成导管。冷却流体还可用作气体或液体轴承介质以防止转子和定子的接触。许多不同的材料可用于间隔层包含，但不限于，阳极氧化铝、TorlonTM(一种三烯酸酐和芳族二胺的反应产物)、酚醛，或一种复合材料例如，但不限于一种金属基复合材料。
[0630] 每个导体可以是一层。层可由一个或多个部分组成。一个部分可以是，例如，一个旋转马达的全部圆周，或一旋转马达两个或更多的角度部分。每个部分的每个层可以是仅一相位的一个导体电路。在一个通常的带有电线绕组的电机中，导体电线螺旋缠绕并且与那个相位的其他电线和/或其他相位的电线相重叠。这个类型三维的电线缠绕配置不能由每相位单一层制成，因为一简单层的组件不允许典型的柱子绕组所需要的相互交织或螺旋重叠的构造。
[0631] 一种可弯的电线可用于创造一种多相位的马达，其中每个相邻的槽包括与一个相邻槽不同的相位或不同的相位组合的导体。这具有很多优势，包含简化制造以降低成本和提供以下描述的非常有效冷却的能力。
[0632] 公开的导体制造方法在构建具有高极密度的设备中尤其有效，它们消除了另外在这些高槽密度中需要的高精度电线绕阻机制。
[0633] 每相位单层绕组在实施例中可设置一个在两相邻槽中的导体，并且跳过一个或多个槽(取决于相位的数量，例如)使得一个层存在于两个相邻槽中，随后在这个相位的层一个或多个槽中没有导体。因此，在一个载体的电磁元件包括柱子的电机中，在柱子之间有槽，其中在对应于一个相邻槽中电气导体位置的一个或多个槽的水平，一个或多个槽中没有电气导体。
[0634] 在一些实施例中，公开的电机不仅为流体流动提供高的横截面面积，还提供一个从向内面向的槽的端到向外面向槽的端的一致的分布式气流通道模式，确保了很大百分比的导体都能接触冷却流体，包含每个槽内上至每个导体都与冷却流体接触。换句话说，在一个实施例中，没有两层以上的导体层在同一时间相接触。在一个槽中竖直顺序可以是，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一直与由错过的导体所创造的冷却通道中的流体相接触。这种均匀的分布式冷却通道阵列帮助获得足够的热耗散以补偿由于更短的柱子导致的减少的导体体积所产生的更高热产量。
[0635] 一些冷却通道间隔模式的实施例包含与相位的偏移相组合的导体的端翻转的部分而非全部的重叠，其中相位与在每个柱子的端的间隙相组合，从而允许在离开导体之间和围绕导体的流体流动通道之前，每个柱子的端有切向的和之后的径向的气流。有了这些细节，气隙一致地被间隔，避免了更少(更大)的通道，暴露到冷却流体的导体表面面积增加，且由于没有柱端切向导管从而没有了停滞的流体气隙。测试显示出这种几何形状的变形允许足够有效的冷却，以允许气流对于在电流密度保持可接受的导体温度是充分的，这需要具有通常的冷却策略的液体冷却，例如一个通常马达外罩的水冷却。
[0636] 在一个实施例中，一排中可以有两个槽，带有一个相位的一个导体，随后在那个层上有p-2个没有来自任何相位的导体的槽(p是相位的数量)。对于三相位，两个槽有来自一个相位的一个导体，随后有一个没有来自那个或任何其他相位的导体的一个槽。对于四相位，一排的两个槽有来自一个相位的一个导体，随后在那个层上有两个槽没有来自那个或任何其他相位的导体，等。没有来自那个或其他相位的导体意味着有空气空间或可以填充封装化合物和/或填充材料例如热提取插入件的空间，或那个空间可用于移动冷却流体的路径，例如气体或液体。
[0637] 以一个三相位配置作为非限制实例，两个相邻的槽具有一个单层，在第一和第二槽中带有一个来自第一相位的导体，随后在那一层上的第三槽不具有导体。这种模式重复地设置了绕组单层，以在那个层上三个柱子的每个第一个的所有圆周侧上设置单一相位的导体。在另一层上，一个第二相位电路存在于一个单层上，且在第二和第三槽中具有一个来自第二相位的导体，随后一个槽在那个层上不具有来自任何相位的导体。一个第三相位在另一分离层上，在第三和第一槽中有导体，但在每个第二槽中不具有来自任何层的导体。在这个三相位配置中，每个相位电路明确了槽的选择，其中，以三个槽为一集合，一集合的三个槽中的两个接受导体。在其他相位配置中，可使用不同的槽的选择。每个导体层可之后接受一个电气励磁的单一相位。
[0638] 一个分层构造允许可扩展结构。分层构造允许元件经过增加的制造工艺沉积，或者与每个导体和/或绝缘元件和/或由单个或多个部分预制造的间隔层进行装配。
[0639] 这种导体配置可由每层上的可弯曲电线完成(其仅螺旋地缠绕在每个部分的端的两个柱子上，以连接下一层，用于一个非限制实例)。或这个导体配置可以由预制造的导体层装配，使得在构造和装配过程中较少地或不需要导体的弯曲。
[0640] 在周期性的槽中跳过一个导体可用作冷却通道，以允许直接冷却高百分比的导体和/或绝缘层和/或电磁柱子的表面面积。槽内导体的跳过可出现在每层的多个槽内，周期性地间隔。冷却通道或导管可以设置有冷却剂的流动。在一些实施例中，冷却通道或管道可以连接到一冷却流体源。在周期性槽中错过的导体可以被用作空气或其他气体流动的冷却通道，使得减少设备的重量，比较于使用更高密度的流体，例如在特定应用中为了增加有效性人工低温的水或油。管道可轴向地与用于排出冷却剂流动的孔相连。
[0641] 公开的带有导体层的实施例可通过手或机器装配，然后可以夹持在两个平的表面之间并且封装一封装化合物。在封装工艺中，磨具板顶部和底部可收缩到足够使所有表面在再次周向接触或紧密接近之前湿润。柱子的长度可用定位上部和下部封装模具部分(未示出)。
[0642] 如果期望内部冷却，将封装化合物从开口槽部分中移除，例如允许重力将封装化合物从大间隙中移除，或通过向设备中压入空气将封装化合物从空腔中推出，或通过旋转定子通过离心力将封装化合物从冷却剂通道移除。在这个操作中，气流或离心力可以足够低，使得不移除封闭过滤元件(close filting componts)之间的封装化合物。
[0643] 层可以黏合在一起或融合在一起或另外紧固在一起。如果一些内部层，例如但不限于在阳极氧化铝或其他隔离层之间的铜层和间隔层，是镀锡的，且如果所有元件或其涂层可由给定的焊料化合物黏结，则可以装配这些部件，然后在熔炉中一定压力下加热以将所有物质融合在一起。如果使用焊料预镀锡，使用合适的绝缘体例如硬质阳极氧化涂覆隔离层是重要的，使得没有导体层对层的传导性。备选地，用热塑性树脂来涂覆部件，之后它们可被装配，并且在熔炉中在足够压力下加热并融合以确保正确的轴向和其他尺寸。环氧树脂和其他硬质粘合剂可在装配时或装配之后用于粘合和封装元件。如果设计中包含气流通道，封装之后可以在环氧树脂硬化之前将粘合剂吹或旋转出大腔。提供窄且一致的粘合剂或焊料的涂层的预浸或预镀锡工艺的优点是气流通道可以不需要清洗。仅紧密配合表面将互相粘合。可使用任意数量的柱子或永磁体。使用焊料作为黏合剂同样会提供从导体到硬质阳极氧化绝缘层和到冷却通道中冷却流体的优秀的热传递。
[0644] 一个典型的实施例可配置定子和/或永磁体载体的多层，在一个或多个定子的所有轴向端上具有永磁体载体或在一个或多个的永磁体载体的轴向端上具有两个或更多定子。仅在轴向端的定子和/或永磁体载体可具有一个护铁。
[0645] 在分层导体的实施例中，端翻转的横截面面积可大于槽内导体的平均或最大横截面面积。这减少了端翻转中的阻抗，允许它们以冷于导体的槽部分运行，并且因此用作有效的用于槽内导体的散热器，并且增加导体热容以增加短时间内在高电流密度下操作的能力，例如紧急停止时或甚至在高加速度时的正常操作期间。端翻转可比槽翻转更宽。端翻转还可具有统一的宽度。进一步地，比较于导体的槽部分，更大的端翻转的表面面积提供了十分有效的冷却散热片效应，这是由于槽翻转和端翻转由相同元件和高热传导性材料如铜或铝制成所造成的从槽翻转至端翻转的低热流动阻抗。可以使用任意数量的液体或气体冷却方式冷却这些端翻转“冷却散热片”，可带有或不带有上述的槽通道冷却。
[0646] 以上可以由在一个或多个永磁体载体的任一轴向端上两个或更多定子所配置。永磁体载体可具有任意类型的永磁体并且可以配置为海尔贝克阵列或伪海尔贝克阵列(永磁体在载体移动的方向上极化，由永磁体之间的钢提供磁链)。定子和“转子”都可以被通电以减少或消除对于永磁体的需要。任意数量或几何形状或尺寸的柱子和永磁体或其他元件可被使用。制造技术包含印制电路板制造技术，其具有用于线圈和柱体与拾取和放置装备装配的传导轨迹。更大的马达或执行器或发电机可使用如这个公开文本中其他实施例中所描述的预制造导体工艺。
[0647] 在电机的一些实施例中，绕组在一单层中设置，与相邻的柱子绕组相互交叉或者并排。单层提供了减少的电线长度，对于给定电流产生更少的热量。所有电线的直接接触(通过绝缘)提供了更低的热流动阻抗路径用于热从电线向外罩或其他冷却部件耗散。更短的柱子将热从电线到外罩的路径缩短。增加的柱子数量可增加定子(或转子)的表面面积，其在定子上可以提供更大的表面面积作为在定子(或转子)和线圈中产生的热的辐射或对流冷却散热片。这些特征相比另外案例，有助于运行更高电流通过导体的能力。
[0648] 不同的设计特征可用于任意公开的实施例。槽的填充可以尽可能地高，并且具有相对于直径的短柱子，槽壁更加平行，使得槽填充更高。电流密度取决于使用的材料，但是可由于公开的几何形状的增强的冷却效果而增加。公开的几何形状可与适当数量的相位例如3或5一同使用。可以使用集中的或分布式绕组。可以使用各种柱子形状，例如平行侧。定子极对转子极的比例可以是5:4，例如5个柱子对每4个永磁体。然而，可以使用各种比例。可以使用主动冷却。气隙可以是，例如0.005英寸到0.009英寸，但是可以使用更小的气隙，具有制造复杂性的一些风险，或者可以使用更大的气隙，存在扭矩损耗。磁体尺寸可以是1:1圆周宽度对径向高度，但是可以使用其他尺寸。在对于呈现的分析的马达的重量计算中，重量是定子护铁厚度加上柱子高度加上铜体积加上永磁体体积加上转子护铁。虽然公开的分析假设了一流体冷却外罩，可以使用各种受迫冷却方法。
[0649] 公开的极密度和导体体积(柱子高度)特性可应用于具有槽和齿的所有类型的电机，包含以下电机：直流、交流、同步、异步、轴向、径向、内部定子、外部定子、线性、感应、无刷、永磁体、开关磁阻、双突出、通量反转、通量切换、混合励磁、通量记忆、磁齿轮、游标、无磁、双馈游标和双转子。
[0650] 具有增加的输出扭矩，磁力可以造成定子和/或转子的扭曲，导致精度缺失、噪音增加、振动、疲劳应力和元件最终无效。磁力更均匀的分布可以通过公开的极密度、柱子对永磁体比例和导体绕组提供，其为大多数相邻定子柱子通过不同相位提供通电。在一个实施例中，这些特征的一个组合造成磁力平均在每三个柱子上重复。其与非常高的极密度组合，导致了在定子和转子上非常平均的力的分布，在一些实施例中，这减少了制造成本和复杂度并且消除了额外的轴承和支撑结构的需要。
[0651] 在一些实施例中，通过使用低摩擦表面涂覆气隙来保持气隙实现了减少的刚度需求。在一个线性马达的实施例中，一个低摩擦表面施加于气隙中，其保持了一个0.008英寸的气隙。涂层，例如DLC(类金刚石涂层)可以在转子和定子上设置在0.0025英寸并且间隙会被保持。
[0652] 等式明确的极密度和柱子高度
[0653] 极间距(或密度)和导体体积的范围被发现在KR方面，或在组合扭矩、扭矩-重量和Km(如进一步地描述)的加权函数方面都提供了显著的有益效果。根据加权函数的有益效果的量取决于冷却和其他因素的量，但是等式明确了电机的新颖结构，其提供了如标示的有益效果。给定了等式，其限定了由产生这些有益效果的极密度和导体体积的范围决定的有界区域。
[0654] 在一个实施例中，通过在一由电机尺寸、极密度和柱子高度明确的相位空间的区域内操作获得优势。图170A到图170F中示出的一系列图形，示出了用于一典型的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)和柱子高度(y轴)，使用一种在OCTAVETM(一种求解数值计算的程序)中产生的自动求解器使用FEMM软件创造和分析。在这个实例中使用槽密度，因为与极密度相同。
[0655] 以下规则和假设应用于这个系列中的所有马达。每个截面具备144个电磁体和146个永磁体。转子包括NdFeB52磁体和M-19硅钢的截面。每个永磁体切向地放置于转子并且被导向，使得它的磁场方向切向地与转子对齐，并且与其相邻的永磁体相反。M-19硅钢部分放置在永磁体之间。定子由M-19硅钢制成。电磁体在一个三相位配置中使用了集中的绕组线圈。假设线圈具有一个75％的填充系数，具备75％的槽面积。被调查的两个变量是柱子高度和槽密度。其余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％(与柱子和槽的宽度相等)。定子护铁高度设置为定子柱子宽度的50％。气隙轴向高度为0.005英寸。
[0656] 代表公开的独特的几何形状的有界区域是以优选实施例为模型，即该实施例会产生最高的扭矩对质量和KR。在这个实施例中已做出特定的设计选择，例如转子中N52NdFeB磁体的选择、一个转子极对定子柱的146:144的比例，和一个带有护铁的通量集中的转子。据发明人所知，这个配置代表了对于已公开直径中执行器的尺寸的最高的实际的扭矩对重量配置之一，同时保持合理的可制造性和结构稳定性的水平。许多其他配置是可能的，例如不同的转子类型(表面永磁体、掩埋永磁体等)，不同的磁体材料和分级包含但不限于陶瓷、钐钴和高温钕铁硼，不同的转子极对定子柱子的比例，不同的定子绕组配置，不同的定子材料等。在许多案例中，对于这些参数的不同设计选择不会具有像比较于优选实施例那么大的KR有益效果，作为优选实施例通过对于相同的极间距和柱子高度导致扭矩减少或重量增加。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，在公开区域内使用极间距和柱子高度相对于公开区域范围外的几何形状具有对KR的有益效果。这个原理对于集中的和分布式的绕组设计都是正确的，用于线性马达、轴向通量旋转马达、径向通量旋转马达、梯形/环形旋转马达和横向通量线性和旋转马达。
[0657] 对于每个那些马达的截面几何形状，运行磁性模拟和热模拟。对于每一个磁模拟，程序生成了质量、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，以更准确的预测出整个系统的质量和能量消耗。对于计算低速度时的失速扭矩和扭矩，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。这些值用于计算每个模拟的质量力密度(每单位质量的力)和面积正常化力(单位气隙面积的力)。对于每个热模拟，程序产出线圈温度、转子温度和定子温度的值。一冷却率的集合施加于转子内部表面，其使用水作为冷却剂并且有一对流因数700W/m2K。水的温度设置在15摄氏度并且其具有在6-20平方毫米/秒之间的流动率。假定状态条件稳定。
[0658] 对于恒定的电流密度模拟，一个固定的电流密度施加于导体，并且得出的力、质量、能量消耗和最大的定子温度由程序计算。
[0659] 对于恒定温度、单位面积的力或力密度模拟，电流密度在每个几何点调整，直到有关参数达到了目标值，并且记录在那一点上的其他参数。对于恒定温度、单位面积的力和力密度模拟的目标误差分别是1度、0.002牛/平方毫米和1牛/千克。这个数据可以通过将面积正常化的力乘以旋转马达中的气隙的圆周面积直接应用到各种尺寸的旋转马达上，并且将力乘以直径以产生得到的扭矩。由于马达的曲率半径，会有一些小的偏差，和与使用线性结构近似弯曲的结构相关的误差，然而我们的模拟示出了通过线性模型预测的旋转的模拟扭矩典型地在10％之内。
[0660] 高扭矩对重量在一些应用中是有益效果，但是扭矩的最小水平对于一些例如机器人的应用是必要的，其中由于高扭矩对重量执行器，无论臂有多轻，臂必须具有足够的扭矩来提起和移动一个载荷。在这个专利文件公开范围内的具有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了高扭矩和扭矩对重量。
[0661] 在一恒定的电流密度2320的单位面积的力在图170A中绘制为槽间距和柱子高度的函数。在虚拟系列中施加于所有马达的相同电流在公开范围2322(原理性地通过虚线标示)中导致了更低的单位面积的力。虚线对应于投影在3D表面上的每一尺寸(25毫米、50毫米、100毫米和200毫米，如与以下等式相关联所讨论的)的中间边界。中间边界对应于等式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电流密度2320下单位面积的力，在OCTAVE中用脚本找到了对于给定的三相输入电源的最高的扭矩旋转位置。这些马达除了在导体体积和槽密度上如所示变化，在其他任何方面都是相同的。
[0662] 在一给定温度2324最高可能的的电流密度在图170B中绘制为槽间距和柱子高度的函数。在公开范围2322中以指数方式变高的热耗散特性在给定的温度下允许更高的电流密度。低的导体体积倾向于减少执行器重量，但是低导体体积还倾向于减少执行器的扭矩。然而，当导体体积和槽密度在公开范围内时，在从导体到定子背部或到任意其他表面的热流动阻抗会有剧烈的减少，其中可以施加冷却，这允许非常高的电流密度在不使执行器过热的情况下施加在导体上。
[0663] 在图170B中，使用与图170A中相同的马达系列，但是代替在每个马达上施加恒定的电流密度，电流密度是变化的直到导体的稳定状态温度为～70摄氏度。一典型的水冷却效应的合理展示施加于定子的外部轴向表面，对流因数是700瓦/平方米。水的温度设置在15摄氏度。环境温度设置在15摄氏度。由于水冷却表面在冷却方面是尤其占主导地位并且由于转子自己不会产生热，因此为了简化，没有空气的对流冷却施加在转子上。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摄氏度。
[0664] 图170C与图170D相同，除了具有6安/平方毫米的恒定电流以区别于70摄氏度恒定温度。因此，展示短柱子的热耗散有益效果如何给出预期外的有益效果公开的范围，使用以下的加权惯例产生图170C。扭矩权重是1，扭矩对重量的权重是3，能量消耗的权重是2。扭矩对重量是最高的权重，因为臂的重量取决于执行器的重量并且因为臂的重量典型地要比载荷的重量高的多。扭矩权重是1，以将其作为一个重要的考虑，但是意识到载荷可以比臂的重量低的多。能量消耗被给予了一个中等的权重，因为其为一个很重要的考虑，但是已知能量消耗受益于更低的臂重量，其通过在扭矩对重量上更高的权重所实现，所以在能量消耗上更高的权重被视为可能产生潜在地相反的效果。
[0665] 通过对于一系列马达施加一恒定的电流密度，并且将结果与以上权重相组合，图170D中的表面2328示出了更低的整体性能的趋势并且通过槽(或极)密度和导体体积的公开范围2322持续。图170D示出了当图170B中的恒定温度电流密度施加后在公开范围内的有益效果。
[0666] 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。KM假设对于给定的电源具有足够的冷却。它仅考虑产生特定扭矩水平所需要的能量的量。K″m表面2330以槽间距和柱子高度的函数在图170E中绘制。
[0667] 从图170F中K″R表面2332作为一槽间距和柱子高度的函数的图形中看出，扭矩对重量对能量消耗在公开范围2322内示出了最预期外的和巨大的有益效果。高KR在静止应用中未必有大的有益效果，但是在例如机器人的应用中，KR标示了能量消耗的有益效果可以通过减少整个系统的重量获得。
[0668] 一种产生图形的方法如下示出了K″R是如何随着极密度和柱子高度变化的。考虑到一个具有几何形状A的马达截面具有低导体体积(低柱子高度)和低极密度。具有几何形状A的马达截面被模拟；一冷却率集合施加在定子内表面上，使用水作为冷却剂并且对流因2
数是700W/m K。水的温度设置在15摄氏度，并且流动率在6-20毫米/秒之间。假定状态条件稳定。通过几何形状A的导体的电流随后增加直到导体的最大温度达到70摄氏度。在这个点的几何形状A的扭矩密度随后被记录并且绘制在图形中，用于对应于柱子高度和极密度的值。这个工艺对于其他几何形状是重复的，例如，通过改变柱子高度和极密度并且缩放如以上所描述的其余参数得到。例如，几何形状B可以从几何形状A中通过增加柱子高度，并且缩放其他所有以上描述的参数获得。一个几何形状C可具有和几何形状A相同的柱子高度，但具有更大的极密度。比较于几何形状A，一个几何形状D可以具有增加的柱子高度和增加的极密度。在图形中绘制扭矩密度得到一个表面。
数是700W/m K。水的温度设置在15摄氏度，并且流动率在6-20毫米/秒之间。假定状态条件稳定。通过几何形状A的导体的电流随后增加直到导体的最大温度达到70摄氏度。在这个点的几何形状A的扭矩密度随后被记录并且绘制在图形中，用于对应于柱子高度和极密度的值。这个工艺对于其他几何形状是重复的，例如，通过改变柱子高度和极密度并且缩放如以上所描述的其余参数得到。例如，几何形状B可以从几何形状A中通过增加柱子高度，并且缩放其他所有以上描述的参数获得。一个几何形状C可具有和几何形状A相同的柱子高度，但具有更大的极密度。比较于几何形状A，一个几何形状D可以具有增加的柱子高度和增加的极密度。在图形中绘制扭矩密度得到一个表面。
[0669] 发现扭矩密度随着极密度的增加和柱子高度的减少而增加。这样的扭矩密度的增加没有在具有低柱子高度或高极密度的几何形状中发生；扭矩密度的有益效果仅在组合这两种系数的几何形状中被观察到。然而，在这个区域，效率在减少。当图形基于标示的假设产生时，发明人基于公开的冷却效果和增加极密度和减少导体体积或柱子高度的通量损耗的减少，完备地预测相同的几何形状会具有在模拟中使用的其他参数值的有益效果。不影响柱子高度或极密度的马达设计元件的改变不会期望导致有益效果的损失。例如，包括一具有切向导向的永磁体的转子的电机和一类似的包括具有表面安装的永磁体的转子的电机可拥有少量不同的K″R表面；然而，以上描述的原理仍可以应用并且有益效果仍然可以在前述的低柱子高度和高极密度几何形状的区域内被预测。按照现有的理解，原理仅应用于具有柱子的电机，例如轴向通量和径向通量机械。
[0670] 在公开的等式和图形中，参数K″R是与尺寸无关的并且从传统的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无关。因此，任何尺寸的马达的传统的KR可以由K″R值发现。并且对于两个相同尺寸(在气隙和轴向长度上的直径)但是具有不同几何形状(即极密度和/或柱子高度)的马达，乘法系数是相同的，所以具有高K″R的马达会具有更高的传统KR。
[0671] K″R作为极密度和柱子高度的函数与示出传统KR的图形的表面非常相像。然而，这个特别的表面，对应于扭矩密度，当在分析中使用不同的温度作为限制条件时会发生相当大的改变。对比之下，K″R不会发生实质的改变(只要电流不足够高使得系列中的马达开始饱和；那么3D曲线形状会发生改变)。因此，K″R用于明确极密度和柱子高度的特定范围，其导致了之前讨论的有益效果。
[0672] 公开的有益效果的范围取决于气隙处的因而发生的马达直径。越小的马达越受限制，因为马达的物理尺寸防止更低的槽密度被使用。我们已限定4个离散的马达直径范围，对应于200毫米及以上、100毫米及以上、50毫米及以上和25毫米及以上。对于每个直径范围，我们描述K″R的三个水平。对于特定的直径范围，第一个对应于K″R开始时小的有益效果，第二个对应于中等的K″R有益效果，及第三个对应于高的K″R有益效果。对于马达尺寸范围，更高的K″R值通常对应于更低的总体扭矩值。
[0673] 这些公开的马达尺寸(25毫米和高达200毫米直径及以上)代表了小到大的马达。在这个模拟中使用的0.005英寸的气隙被认为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、元件偏转和热膨胀，更小的气隙对于这个马达范围是不实际的。
[0674] 以上等式中的因数是以对有关区域划界的方式被选择，并且产生的关系是几乎连续的。
[0675] 一个柱子：槽的50：50宽度比例在这些模拟中被选择，如分析示出了当比例在40：60和60：40之间时获得最高的有益效果。一个50：50比例代表了一个典型的最优案例方案；
在固定的柱子高度上，比较之下使用一个10：90的槽：柱子宽度比例会具有显著的降级的性能。分析示出了在恒定柱子高度上，实施例在50％槽宽度上展示了扭矩的和扭矩密度的最大值，及在40％槽宽度上Km和Kr的最大值。然而，Km和Kr的最大值与在50：50几何形状下被给出的值在5％之内；因此一个50：50比例被视作是对于模拟缩放参数的合理选择。其他柱子：槽的宽度比例会给出一部分的公开的有益效果。
在固定的柱子高度上，比较之下使用一个10：90的槽：柱子宽度比例会具有显著的降级的性能。分析示出了在恒定柱子高度上，实施例在50％槽宽度上展示了扭矩的和扭矩密度的最大值，及在40％槽宽度上Km和Kr的最大值。然而，Km和Kr的最大值与在50：50几何形状下被给出的值在5％之内；因此一个50：50比例被视作是对于模拟缩放参数的合理选择。其他柱子：槽的宽度比例会给出一部分的公开的有益效果。
[0676] 以下讨论等式和图形，其示出了对于不同的实施例，在KR方面或结合了扭矩、扭矩对重量的加权函数方面和Km中的一个给出了显著有益效果的极密度和导体体积的范围。与前述等式，有益效果的区域在加权函数方面取决于冷却的量。
[0677] 电机的尺寸意味着如此处明确的轴向通量机械或径向通量机械的气隙直径，或在一个线性电机的载体的转变方向上的长度。
[0678] 第一有界区域对应于相对于区域中其余几何形状具有显著KR有益效果的区域。对于一个给定的设备尺寸，KR在一几何形状的公开范围内具有比该范围以外其他地方更高的值，标示了对于使用这些几何形状的设备的特定应用，总体系统效率具有潜在的有益效果。K″R的图形用于通过在一个特定的K″R值上放置一水平平面明确边界。K″R的四个值用于明确有益效果的区域，对于四个不同的执行器尺寸范围，对应于200毫米及更大、100毫米及更大、50毫米及更大和25毫米及更大更大的尺寸。
[0679] 在以下表格中，极间距由变量S所表示，单位是毫米。柱子高度同样以毫米所表示。
[0680] 在一个具有25毫米尺寸的机械中，对于K″R>3.3的边界线由表格1中示出的值所明确，并且对应的图形是图180。
[0681]
[0682]
[0683] 在一个具有25毫米尺寸的机械中，对于K″R>3.4的边界线由表格2中示出的值所明确，并且对应的图形是图181。
[0684]
[0685] 在一个具有25毫米尺寸的机械中，对于K″R>3.6的边界线由表格3中示出的值所明确，并且对应的图形是图182。
[0686]
[0687] 在一个具有50毫米尺寸的机械中，对于K″R>2.2的边界线由表格4中的值所明确，并且对应的图形是图177。
[0688]
[0689] 在一个具有50毫米尺寸的机械中，对于K″R>2.5的边界线由表格5中的值所明确，并且对应的图形是图178。
[0690]
[0691] 在一个具有50毫米尺寸的机械中，对于K″R>2.9的边界线由表格6中的值所明确，并且对应的图形是图179。
[0692]
[0693] 在一个具有100毫米尺寸的机械中，对于K″R>1.5的边界线由表格7中的值所明确，并且对应的图形是图174。
[0694]
[0695] 在一个具有100毫米尺寸的机械中，对于K″R>1.7的边界线由表格8中的值所明确，并且对应的图形是图175。
[0696]
[0697] 在一个具有100毫米尺寸的机械中，对于K″R>1.9的边界线由表格9中的值所明确，并且对应的图形是图176。
[0698]
[0699] 在一个具有200毫米尺寸的机械中，对于K″R>1.3的边界线由表格10中的值所明确，并且对应的图形是图171。
[0700]
[0701] 在一个具有200毫米尺寸的机械中，对于K″R>1.5的边界线由表格11中的值所明确，并且对应的图形是图172。
[0702]
[0703] 在一个具有200毫米尺寸的机械中，对于K″R>1.8的边界线由表格12中的值所明确，并且对应的图形是图173。
[0704]
[0705]
[0706] 在每个机械尺寸上，每个边界线由给定的K"值明确，使得对于每个机械尺寸有一K"值集合并且一对应的边界线集合。可以选择边界线对，其中从每两个设备的连续尺寸中选择一个边界线，即，25毫米和50毫米，50毫米和100毫米,或100毫米和200毫米。边界线占据了由尺寸、极间距和柱子高度明确的空间或体积。一个边界表面可由空间中的一个二维非间断的表面明确，也就是所有线的联合的外部表面，其中线连接第一边界线中的任意点和第二边界线中的任意点。边界表面包围了一个有益空间。对于每对边界线，边界表面明确了有益空间。一个在给定有益空间内的具有尺寸、极间距和柱子高度的电机被认为落在了相应的对于那个电机尺寸的边界线所明确的实施例中。
[0707] 对于大于最大计算尺寸的电机尺寸，使用对于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明确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点的体积。
[0708] 一个电机的主要元件包括一个具有一电磁元件的阵列的第一载体(转子、定子或线性机械的部分)和一具有明确了磁极的电磁元件的第二载体，第二载体设置为相对于第一载体移动，例如通过轴承，可以是磁性轴承。由第一载体和第二载体(马达实施例)的电磁元件或由一个外部源产生的磁通量的相互作用造成了所述移动，该案例中移动造成了在电机(发电机实施例)的绕组中产生的电动力。在第一载体和第二载体之间设置一个气隙。第一载体的电磁元件包含柱子，在柱子之间具有槽，在每个槽中具有一个或多个的电气导体，第一载体的柱子具有毫米的柱子高度。第一载体和第二载体一起明确了电机的尺寸。磁极具有毫米的极间距。马达的尺寸、极间距和柱子高度被选择落在由尺寸、极间距和柱子高度明确的空间里的区域内。所述区域由以下明确1)一个联合包括a)一个由第一尺寸的电机的不等式的第一集合所明确的第一表面，b)一个由第二尺寸的电机的不等式的第二集合所明确的第二表面；和c)一个明确为含有位于线段的所有点的集合，所述线段具有一个在第一表面上的第一端点和一个在第二表面上的第二端点，或2)一个由一组不等式和对应于一个更大大小的所有点所明确的表面，但是具有对应于表面上的点的极间距和柱子高度。
[0709] 不等式的第一集合和不等式的第二集合分别是不等式集合A和B，或B和C，或C和D，其中A是从一组包含在表格1、2和3(分别是等式集合A1、A2和A3)中提出的等式的不等式集合的组中选择，B是从一组包含在表格4、5和6(分别是等式集合B1、B2和B3)中提出的等式的不等式集合的组中选择，C是从一组包含在表格7、8和9(分别是不等式集合C1、C2和C3)中提出的等式的不等式集合的组中选择，并且D是从一组包含在表格10、11和12(分别是不等式集合D1、D2和D3)中提出的不等式的不等式集合的组中选择。
[0710] 电机的特征的空间可由由相邻尺寸的不等式集合明确的任意一对不等式构成，例如：Al Bl、Al B2、Al B3、A2 Bl、A2 B2、A2 B3、A3 Bl、A3 B2、A3 B3、Bl C1、Bl C2、Bl C3、B2 C1、B2 C2、B2 C3、B3 C1、B3 C2、B3 C3、C1 D1、C1 D2、C1 D3、C2 D1、C2 D2、C2 D3、C3 Dl、C3 D2、C3 D3。还可由任何不等式集合和对应更大尺寸但是在由不等式集合明确的区域内的具有柱子高度和极间距的所有点构成。
[0711] 在这个应用中描述的所有设备内可具有落在由这些等式限定的区域和空间中的尺寸、极间距和柱子高度。
[0712] 在由图1-图5呈现的实施例的几何形状的模拟中，使用0.005英寸的气隙并且使用N52磁体，模拟产出了一1.53Nm/kg/W的KR"，其在对于那个尺寸的有益范围内。在由图128-图129示出了实施例的几何形状的模拟产出了一2.13Nm/kg/W的KR"，同样落在了对于那个尺寸的有益范围内。
[0713] 几何形状的讨论
[0714] 几何形状的范围对于给定的电源输入提供了不寻常地高扭矩对重量。这个效率与温度无关。例如，在一个给定的扭矩对重量上，在公开范围内的执行器，对于一种给定的冷却方法，可能运行温度比一个在公开范围外的相似的执行器更低，因为在公开范围内的设备设备会使用更少的能量。
[0715] 低的导体体积，在这个案例中由于更短的导体具有更低的热阻抗的有益效果。在公开范围内，在更高的电流密度下将这些导体通电的需要高于通过设备的热耗散有益效果进行补偿以获得给定的扭矩对重量的需要。在公开的K″R范围中，重量的减少(部分由低导体体积产生)可以超过所需的额外能量(由更高的电流密度产生)，使得净有益效果可以以KR的形式产生。给定直径的机械中的几何形状的所述范围提供了一个与用于小得多的机械已知的特征几何形状有关的热耗散效果，但是根据呈现的设备的原理，是用在了大直径机械中。
[0716] 出于清楚起见，仍需要冷却以获得KR有益效果，但是假设KR计算使用了足够的冷却。对于一些马达和应用，辐射冷却是充分的。对于其他的，风扇和冷却散热片是需要的。对于其他在全部能量的应用，水冷却是需要的。
[0717] 对于公开的电机，KR对于从低到高的能量输出是相同的(直到定子饱和，这时KR也会减少)，因此取决于能量输出的不同水平的冷却是需要的，但是扭矩对重量对能量消耗保持相当地恒定。极密度和导体体积的公开范围使用给定的冷却方法用于给定的热耗散率提供了不寻常高的扭矩对重量。极密度和导体体积的公开范围对于施加到定子后表面的给定的冷却方法和一给定的导体温度产生了更高的扭矩对重量。用于极密度和电气导体体积的公开范围的电气导体冷却的基本形式是从电气导体到定子后表面的热传导的热传递。
[0718] 例如，热可以通过与冷却流体的直接接触或通过传导到另一部件如外罩，或通过辐射从定子的后表面抽出。定子或导体的其他表面同样可以由各种方式冷却。对于许多马达类型，冷却定子的后表面示出为成本有效和简单的选择。一个样本分析(此处未示出)标示了当定子或导体的其他表面被冷却时，在示出了从定子的后表面更好的热耗散(比较于在公开范围外的马达)的公开范围内的几何形状将还通常示出比公开范围外的马达提升的热耗散。因此，定子的后表面被视作是有用的冷却表面，以及是对系列中每个马达的有效性的标示，以在定子和导体的其他表面上施加冷却。定子的后表面可选择为马达系列分析的主要冷却表面，用于识别公开范围。其他冷却方法可应用于具有公开范围的极间距和导体体积的电机，但是从导体到定子背部的热流动路径可始终优选地用于冷却马达，无论使用其他类型的冷却(如，直接线圈冷却)。
[0719] 定子护铁
[0720] 定子护铁可具有一轴向深度，是柱子宽度(圆周或切向宽度)的50％。每个柱子可具有一切向宽度并且定子可包括一护铁部分，护铁部分具有一相等于或小于柱子切向宽度一半的厚度，或小于柱子的切向宽度。更厚的护铁增加了质量及最小的有益效果。更窄的护铁帮助冷却但是护铁厚度对于冷却的效果并不十分显著。护铁表面可与外罩物理接触，以从定子到外罩上物理地传导热，和/或定子的后表面可暴露于一主动循环冷却液和/或定子的后表面可配置为辐射热耗散到大气或到外罩或其他元件上，并且/或定子的后表面可配置为对流或通过空气或液体的在定子或外罩表面移动来被动冷却。定子后表面可以与大气隔绝或暴露在大气中。大气可以是空气或水或其他围绕执行器的流体。环境同样可以是真空，例如对于一些制造工艺或空间的真空是必要的。定子的后表面可与冷却散热片一同配置以增加表面面积。这些冷却散热片可以暴露至冷却流体和/或与一散热器例如外罩或其他固体部件相接触。定子上的冷却散热片可在圆周方向上具有大于柱子宽度50％的高度。
[0721] 除了热从定子的后表面耗散，其他热耗散表面可包含暴露于冷却流体例如在例如导体和柱子之间的槽循环的空气或液体的柱子的表面。
[0722] 冷却定子和/或导体的其他方法可包含冷却在定子表面之上或之下和/或在导体表面之上或之下的通道。这些和其他形式的冷却被视作是从导体到定子后表面的基本的热传导冷却的补充。在一些案例中，补充的冷却方法比基本的传导冷却的效果甚至可以将更多的热量从定子中吸出，但是主动冷却方法需要能量和增加的成本和复杂性，所以从导体到定子后表面的传导冷却路径在此处公开作为冷却的基本模式。
[0723] 对于一单一执行器产生一固定的扭矩，能量消耗在公开范围内上升，并且在公开的范围内朝着最小的柱子高度和槽间距以指数方式变大。从产生100牛米扭矩所必要的能量消耗的模拟，具有一个单一的200毫米平均气隙直径执行器，具有一个32毫米的径向齿长度和转子和绕组，可以看出最低的能量消耗发生在公开范围之外，并且在公开范围内的能量消耗显著地增加。为了最小化能量消耗，设计师必须引导到更大的槽间距和更大的导体体积的设备。用于这个类型的应用对于更大的槽间距和导体体积值，任何使用呈现的设备的几何形状的执行器会具有相比于那些在公开范围外更高的能量消耗。
[0724] 具有公开的结构，其中一个电机的极载体包含槽和柱子，槽具有一个槽或极间距s并且柱子具有高度h，其中根据公开的等式s相关于h，具有一电流密度至少为70安/平方毫米的电气励磁可以施加于槽内的导体。超过70安/平方毫米的电气励磁对于公开的设备的操作来说通常被考虑是合适的。具有公开槽和导体结构的冷却效果提供了冷却来偏移由导体内电流产生的一些或全部热。任意剩余的产生的热量可使用一个或多个公开的冷却结构或通道来耗散。在公开范围内的马达示出了对于一给定的电气输入能量，在磁通量路径中平均通量密度的减少。这是部分地由于更短的柱子的减少的通量路径长度和从柱子到相邻柱子通过护铁的减少的距离，以及柱子之间减少的通量泄露。结果是在公开范围内的马达中运行更高的电流密度且不达到饱和的能力。在给定电流密度下比较于在公开范围外的马达，增加的冷却能力和更低的通量密度的组合创造了一条件的组合，其中在一给定冷却率对于一给定温度可以获得更高连续的扭矩对重量，和在公开范围内马达的峰值瞬间扭矩对重量可显著地更高，由于在公开范围内对于给定的扭矩对重量在一更低的通量密度上操作。
[0725] 其中一个为了获得公开的几何形状的性能和能量消耗有益效果而必须克服的最显著的挑战是，提供一个可以承受存在于转子和定子之间的巨大的磁力的结构。公开的转子的实施例可以在一个气隙中获得不寻常高的通量密度，在定子柱子上导致高的吸引力。同时，获得一个公开电机的实施例的高的扭矩对重量需要使用具有一个轴向厚度，在一个实施例中，小于柱子的圆周厚度的护铁(并且，在一个实施例中，大约是柱子厚度的一半)。
进一步地，公开的轴向通量马达配置和公开范围内的相对较短的定子柱子导致了一个内在地窄的定子结构。具有一径向通量马达，可以使用具有整体的柱子的圆形叠层。这具有内在的刚度并且沿着叠层的圆周和径向导向自然地提供了一个理想的通量路径。对比地，呈现的设备的一个实施例的轴向通量功能需要一个单独叠层部分的组件。结果是对于每个执行器制造上百个柱子元件的需要，这增加了制造复杂性、时间和成本。进一步地，相对窄的护铁不会为许多封装化合物或粘合剂提供足够的表面面积以可靠地将柱子固定到护铁上，尤其在高频率的力的变化和升高的温度下，对于电机是常见的。作为一个实例，一个典型的可用于将定子柱子固定进定子中的接受槽的航天粘合剂，可具有用于低于300psi的环氧树脂上的应力的低于80摄氏度的热变形温度。
进一步地，公开的轴向通量马达配置和公开范围内的相对较短的定子柱子导致了一个内在地窄的定子结构。具有一径向通量马达，可以使用具有整体的柱子的圆形叠层。这具有内在的刚度并且沿着叠层的圆周和径向导向自然地提供了一个理想的通量路径。对比地，呈现的设备的一个实施例的轴向通量功能需要一个单独叠层部分的组件。结果是对于每个执行器制造上百个柱子元件的需要，这增加了制造复杂性、时间和成本。进一步地，相对窄的护铁不会为许多封装化合物或粘合剂提供足够的表面面积以可靠地将柱子固定到护铁上，尤其在高频率的力的变化和升高的温度下，对于电机是常见的。作为一个实例，一个典型的可用于将定子柱子固定进定子中的接受槽的航天粘合剂，可具有用于低于300psi的环氧树脂上的应力的低于80摄氏度的热变形温度。
[0726] 一个实施例的护铁盘可以由叠层、粉末状金属或固体金属制成。叠层的使用具有特定的优点，包含冲压材料构造的可能性：然而；如果使用叠层，它们必须通过能够承受设备操作的力和温度的方式附着。常见的方法例如胶水可能对用于力和/或温度高的操作的特定环境是不充分的。然而，叠层对于其他环境可以是一好选择，并且对于许多高速应用被期望效果不错。
[0727] 用于一个实施例的护铁的在每个颗粒上带有电气绝缘涂层，粉末状金属的使用具有减少涡旋电流的优势。然而，这个涂层会典型地减少磁力，因为它在通量路径中像多个小的气隙一样作用。这种材料典型地不如具有更高蠕变率的固体钢或铁那么强，尤其在升高的温度下。
[0728] 一个由固体钢制造成的定子典型地具有高的涡旋电流损耗。然而，在公开范围内的马达的几何形状特征具有一涡旋电流和磁滞的减少效果，在一些呈现的设备的实施例的操作环境中，例如当以一定对于机器人合适的速度操作的时候，涡旋电流损耗可充分地的低使得固体定子能够使用。使用固体材料对强度、刚度、热阻抗和疲劳强度有利。由于呈现的设备的实施例经常可在特定不具有变速器的应用中产生足够的扭矩以使用，产生的操作速度可足够地低使得即使带有固体钢定子的涡旋电流损耗也是可接受的。已经发现固体铸铁给出充分低的涡旋电流损耗以使一些配置和操作环境是实用的。
[0729] 定子可由叠层堆叠或烧结的粉末金属构建。相比于使用固体材料，这些构造的一个目标是减少电气绝缘软磁材料垂直于通量路径的横截面面积，并且因此减少涡旋电流的产生。涡旋电流通过要求增加的输入能量减少效率；它们额外产生必须由系统耗散的热量；并且他们通过创造阻尼效应减少了输出扭矩。
[0730] 一个由固体电气传导材料制成的一单块定子可用于在极密度和柱子高度的公开范围内的公开设备的实施例。为了避免涡旋电流的产生，该应用应当为足够地低速度，例如具备操作在200转每分钟或更低的50％(60％、70％、80％、90％)的工作循环，用于具有公开范围的几何形状的175毫米平均气隙直径马达。通过组合这个相对低的速度范围和在公开范围内相对小的定子齿的横截面几何形状，单独定子齿作用有点像叠层并且减少了涡旋电流的产量。低于200转每分钟的速度通常被考虑对于设备的操作来说是合适的。低于100转每分钟、低于50转每分钟和低于25转每分钟的速度同样被考虑对于设备的操作来说是合适的。
[0731] 此外，涡旋电流的产量可以通过在公开范围内相对短的齿高度所减少。涡旋电流和磁滞损耗是与体积相关的，所以呈现的设备的小体积对于给定的通量密度和开关频率有助于减少总的铁损耗。
[0732] 一固定定子或整体定子，具有从柱子到柱子的连续通量路径，如图136和图137中实例示出，虽然，取决于实施例，冷却散热片可或可不呈现。每个柱子因此是一整体定子的一部分。连续通量路径可通过磁敏材料的整块设置。
[0733] 连续通量路径可由一个由各向同性材料制成的定子设置，各向同性材料如球墨铸铁、钢合金如钴或硅钢、压制或烧结粉末金属，例如。金属可从柱子到相邻柱子是各向同性的，并且从柱子到轴承座圈或柱子到连接到轴承的部件或组件是非各向同性的，包含从护铁到冷却散热片和/或到轴承的可变材料合金。这可以通过暴露焊接或融合沉积增加制造，或搅拌焊接或组合不同材料的其他形式来完成。
[0734] 从柱子到相邻柱子和从柱子到轴承座圈座(或套管座或接头)的定子可以是一块的或整体的。从柱子到柱子和从这些柱子中一个到一个被压缩以预加载一个轴承或套管的部件或组件的定子可以是整体的。从一个柱子到柱子和从这些柱子中一个到一个被压缩以预加载一个轴承或套管的部件和组件的定子可以是整体的，并且所有或部分压缩载荷是定子和转子之间的磁性吸引的结果。在预加载轴承的案例中，如果轴承呈现，外罩组件可足够弯曲以在轴承座圈座在轴承预加载荷的方向上移走超过轴承座位置大于.002英寸，如果轴承没有呈现。在预加载轴承的案例中，如果轴承呈现，外罩组件可足够弯曲以在轴承座圈座在轴承预加载荷的方向上，移走超过轴承座位置大于.002英寸，如果轴承没有呈现，并且施加在定子上以造成外罩的这个变形的力至少部分地通过定子对转子的磁性吸引所提供。
[0735] 用于公开范围内的马达的固体定子的性能有益效果
[0736] 已知在马达中固体定子的使用提供了成本和制造有益效果的潜能。然而，固体定子不常被使用，因为已知它们在典型的旋转马达速度上会导致显著的涡旋电流损耗。涡旋电流产生热，并且同样具有减少一个马达的扭矩性能的次要效果，尤其在更高速度上。50转每分钟的执行器输出被考虑为对于很多机器人应用是高速度，同时200转每分钟被考虑为对于很多机器人应用来说是非常高的速度。机器人中常用的马达不是在关节处具有足够高的扭矩作为直接驱动执行器，并且必须不与扭矩增加的变速器一起使用。使用一个扭矩增加变速器的结果是需要在比执行器输出的高的多的速度上操作马达。涡旋电流损耗随着速度指数地增加，因此用于机器人执行器的固体定子的使用会被期望导致非常差的性能。
[0737] 叠层或电气绝缘粉末状材料通常在马达中使用以在适于机器人的输出速度驱动扭矩增加变速箱的必要的速度下提供低涡旋电流特性。但是同时使用叠层或电气绝缘粉末材料的需要示出了在权利要求范围外对于典型的马达是有益的，在权利要求范围内的马达在涡旋电流和磁滞减少的方面展示了预期外的有益效果，这一点其中叠层材料的使用实际地会对移动控制应用例如机器人中的性能是有害的。
[0738] 分析设置
[0739] 为了表明这个预期外的有益效果，一系列马达被模拟以示出在200转每分钟的涡旋电流和磁滞损耗并且用于在低极密度开始并且增加极密度到公开范围内的马达的范围。模拟示出了具有呈现的设备的集中的通量转子实施例的典型的马达系列，在电流水平达
19.7Arms/mm2从转子的永磁体通量产生大约80％或更多的定子中总涡旋电流和磁滞损耗。
因此，转子在200转每分钟上旋转时的非通电的涡旋电流损耗被用作覆盖施加的电流密度的合理范围的总体损耗的可靠标示。
19.7Arms/mm2从转子的永磁体通量产生大约80％或更多的定子中总涡旋电流和磁滞损耗。
因此，转子在200转每分钟上旋转时的非通电的涡旋电流损耗被用作覆盖施加的电流密度的合理范围的总体损耗的可靠标示。
[0740] 反转定子损耗趋势
[0741] 图183示出了一个两固体定子材料的涡旋电流和磁滞损耗，比较于用于一系列典型的马达的叠层的定子的涡旋电流和磁滞损耗，典型的马达具有相同柱子高度到槽间距的相同宽高比例，及相同径向柱子长度。损耗如以上描述的被模拟或计算，在200转每分钟的转子速度上，不施加电流。注意到M19电气钢在模拟中作为一种固体定子材料使用，为了与M19叠层定子直接比较，即使这通常不在板或块形式中可用。其他板或块形式中可用的材料，或其可以被铸造为接近网状形状部分且具有与M19相似的磁性性能特性在工业中是可用的。
[0742] 现在参照图183，可见在给定速度下对于更高的极数量所需的更高的频率导致在叠层的定子系列中朝向或在公开范围内的期望的指数的损耗的增长。还被期望的是，比较用于图形最右侧示出的用于带有大的极间距的马达的叠层定子，高得多的损耗在固体定子中示出。这些损耗随后以比叠层定子大得多的率增加，如极间距从右侧向图形中间减少，驱动频率一定增加。然而，随着极间距达到权利要求范围，涡旋电流的大小不会像在叠层定子系列中一样继续增加。这是由于朝向公开范围的马达的更窄的通量路径横截面，随着朝着权利要求范围减少的定子体积导致减少的涡旋电流和磁滞损耗，在总体效果中占主要地位，并且增加损耗的趋势被反转。这个期望的趋势的反转导致了在公开范围内的固体定子的总的涡旋电流和磁滞损耗降到低于实例系列中任何地方。
[0743] 增加的扭矩对重量
[0744] 虽然图183中的分析中示出的在固体定子中的损耗始终比较于一个叠层定子更高，对于公开范围内的马达，这个趋势的反转足够显著以导致图188中示出的固体定子相比于叠层定子的提升的扭矩对重量性能高达大约200转每分钟。这个高的多的公开范围内的马达的扭矩对重量示出足够高使得它们可以被在机器人关节处用做直接驱动执行器而无需一个扭矩增加变速器。这创造了一种具有呈现的设备所允许的非常高的扭矩对重量的情况，并且同时受益于固体定子的使用。这使得通过允许一个固体定子在机器人关节作为直接驱动执行器操作来使用固体定子并且在操作速度运行，该操作速度对于直接驱动执行器的被认为是相当高的速度但是足够低以利用呈现的设备损耗减少的几何形状。同时，通过增加扭矩对重量超过一个相同材料的叠层定子可能达到的扭矩对重量，在权利要求范围内的马达受益于固体定子的使用。
[0745] 扭矩对重量分析设置
[0746] 由于涡旋电流损耗导致的扭矩对重量的减少可以通过在高达200转每分钟的速度模拟计算得到。在权利要求范围外具有施加的电流密度为6安/平方毫米的一个设备的一个24槽近似的扭矩对重量被示出低于在低速上的叠层定子，并且持续降低甚至进一步低于在高达200转每分钟的叠层定子。
[0747] 由于刚度需求使得更厚的护铁成为必要以保持在叠层案例中的气隙，因此对于一个呈现的设备的108槽近似的扭矩对重量被示出开始就比叠层定子显著地高。然而固体定子在最小的护铁厚度上有足够的刚性，并且不需要增加额外的材料。此外，由于在相同的磁通量路径的横截面面积中的增加了磁性材料，固体定子的失速扭矩轻微高。
[0748] 注意到对于呈现的设备的108槽马达选择19.7安/平方毫米的施加的电流密度，因为这在失速扭矩状态下对于6安/平方毫米的24槽马达产出了相似的能量消耗。
[0749] 对于具有低槽密度的典型的马达来说，扭矩对重量几乎直接下降到低于零速度扭矩对重量是令人意想不到的。然而，对于在公开范围内的典型的马达，扭矩对重量在零速度的时候显著地更高，由于在最小护铁厚度保持刚度的能力，结合由100％磁性材料密度导致的更高的材料密度，比较于具有被非磁性绝缘层和粘合剂占据的通量路径的百分比的叠层。随着速度增加，呈现的设备的扭矩对重量仍然下降如低槽密度马达一样，但是它保持高于叠层马达扭矩对重量一直到200转每分钟。考虑到200转每分钟对于机器人应用是极端高的速度，并且考虑到固体定子在减少成本和增加定子强度和刚度上具有其他潜在的有益效果，呈现的设备能够提供已知的固定定子的有益效果，无需在使用在机器人或其他具有相似速度和扭矩对重量需求的应用时减少扭矩对重量。
[0750] 深入说明
[0751] 以上分析如何得出深入说明如下开展。通过InfolyticaTM使用MagNetTM软件实施一个3D模拟。使用具有MotionTM求解器的Transient构建和模拟一个具有在权利要求范围内几何形状的具有108槽和110极的轴向通量机械的线形近似，以预测在固体和叠层定子中的损耗。使用一个具有在权利要求范围外的几何形状并在相同直径上24槽和26极的等效的完成相似模拟。使用一个Steinmetz等式的分析应用模拟预测在叠层结构中的涡旋电流和磁滞损耗。在固体结构中涡旋电流损耗基于材料的阻抗性通过使用结构中的平均欧姆损耗的模拟预测得到。一个名为铸铁65-45-12的系列使用软件产生涡旋电流大小，并且其他固体涡旋电流大小基于它们各自阻抗性的比例的倍增来估计。对于24号M-19电气钢，固体的磁滞损耗假设为与叠层等效物相等，然而作者承认在现实中一个材料的固体块中的磁滞损耗会比在叠层堆叠中的大。速度上的损耗的大部分仍然是由于涡旋电流，涡旋电流是这个研究的焦点，因此这个假设被认为对于这个研究的目的来说是足够的。对于固体铸铁65-45-12，使用一个基于实验测量的估计来分析计算得到磁滞损耗，这发现损耗大约是5062J/m3，并且频率指数假设为1.1。定子中的磁活跃材料的体积估计为齿的体积加上从深度到宽度等于一个单独的齿的护铁的一部分，基于模拟结果。因此对于铸铁磁滞损耗可以如下计算：
[0752] Physt-Dura＝5062·Vactive·f1.1
[0753] 其中Physt-Dura是由于在铸铁65-45-12中的磁滞产生的能量损耗，Vactive是定子的磁活跃体积，及f是基本磁切换频率。对于任意设备，基本磁切换频率与输出速度和极的数量相关，根据以下关系：
[0754]
[0755] 其中RPM是设备的以每分钟的旋转的输出速度，Np是极的数量。
[0756] 由于磁滞损耗的扭矩减少基于模拟计算得到的由于涡旋电流损耗导致的扭矩减少而计算得到。对于一呈现的设备的108槽近似和一个在权利要求范围外的设备的24槽近似，具有电流密度为l9.7Arms/mm2和6安/平方毫米，因而发生的扭矩分别如图187和184示出。
[0757] 图183示出了固定定子的涡旋电流和磁滞损耗，比较于用于具有柱子高度到槽间距的相同宽高比以及相同的径向柱子长度的典型的马达系列的叠层定子的涡旋电流和磁滞损耗。损耗通过以上所描述的模拟或计算，在转子速度为200转每分钟且不施加电流的情况下。可以看到当一个叠层定子的损耗朝向并且在权利要求范围内指数地增加，当随着驱动频率增加带有固体定子的马达从大的槽间距向左朝更小的槽间距移动的时候，带有固体定子的马达开始示出增加的损耗。然而限制涡旋电流在更狭窄的齿中流动和减少齿体积的组合效果偏移了增加的频率的效果，并且随着槽间距持续减少，总体的损耗开始减少。对于速度相对低的机器人应用中的可接受的损耗，这个反转的趋势示出了将一个固体定子和权利要求的几何形状范围的组合的不明显的有益效果。
[0758] 模拟示出了对于一个带有呈现的设备的转子实施例的典型的马达系列，转子的永磁体通量在电流水平高达19.7Arms/mm2的定子中造成了大约80％或更多的总体的涡旋电流和磁滞损耗。因此转子在200转每分钟上旋转的非通电的涡旋电流损耗被用作覆盖施加的电流密度的合理范围的总体损耗的足够的标示。图183中的数据示出涡旋电流和磁滞损耗的总和，用于没有电流施加的在转子速度200转每分钟的穿过槽间距范围的三个马达系列。
[0759] 比较于在图183中200转每分钟下具有更大槽间距的马达的叠层定子，在固体定子中示出更高的损耗，随着槽间距的减小，这些损耗剧烈增加。然而，在某个特定的点，更窄的横截面的涡旋电流减少的有益效果在总的效果上变得主导，并且增加损耗的趋势被反转。这个趋势的反转示出了在权利要求范围内的固体定子的总体的涡旋电流/磁滞损耗显著下降至低于实例系列中任意其他地方。损耗始终非常高于一个叠层定子，但是其他因素同样有效以使得这些损耗可以接受。
[0760] 作为一个基线比较，一模拟运行用于一个在呈现的具有更大更宽的柱子的设备范围以外的典型的几何形状，对于相同的平均气隙直径具有24槽和26极，并且如呈现的设备实例一样具有相同的齿宽度对高度的宽高比。比较于呈现的设备实例，齿的径向长度保持恒定，使得所有马达都呈现出相同的外部和内部直径。结果在图184中示出，对于一个典型的施加的6安/平方毫米的电流密度，示出了甚至在这些相对低的速度，在固体定子中的扭矩显著地下降31％的系数，而在叠层定子中的扭矩仅下降一点。相似地，在权利要求范围外的实例几何形状中由于涡旋电流产生的损耗大于图185中示出的任何其他系统的损耗。
[0761] 为了表明具有一个固体定子的呈现的设备的实际使用，一个分析被创造并且记录在图186和图187中以模拟一个具有与图184和图185相同个外部直径的马达，但是具有如以上描述的权利要求范围内的几何形状。施加的电流密度是19.7安/平方毫米，对于失速扭矩条件(速度为0转每分钟)，这产出了一个与图185中设备相似的能量消耗。
[0762] 在固体M-19定子中的单独的和总体的定子损耗在图186中示出。虽然涡旋电流损耗随着速度剧烈增加，导体中的阻抗损耗呈现了损耗的大部分，在这个实例中一直到200转每分钟。呈现的设备的几何形状导致了涡旋电流损耗保持低于发明人考虑的在机器人应用中对于执行器是可接受的高速度的情况，尤其鉴于在许多使用固体定子的其他潜在有益效果。
[0763] 在大于200转每分钟的速度，涡旋电流损耗继续指数地增加，并且对于许多应用变得不可接受的大，甚至对于在有益效果范围内的几何形状。因此，一个使用呈现的几何形状的固体定子对于许多典型的直接驱动马达应用会是不实际的，对于这个尺寸的马达所述应用包含大于200转每分钟的操作速度。典型的机器人应用的相对低的速度范围(比较于典型的直接驱动马达的应用)和呈现的设备的几何形状的组合允许了固体定子可以有用地被实施。
[0764] 固体定子的一个有益效果是增加呈现的设备的扭矩对重量的能力，比较于一个叠层或绝缘的粉末状材料，这是由固体材料的更高的机械强度的结果。在权利要求范围外，如图185中的实例几何形状，用于最优的磁性属性的必要的定子护铁的厚度还提供了充分的刚度，使得叠层和固体定子可以具有相同的体积。然而，在权利要求范围内，最小的护铁厚度可需要在叠层或粉末状烧结定子的案例中增加以防止转子磁体的吸引使定子变形，以及在特定案例下当使用小气隙和/或强转子磁体的时候气隙会关闭。在图188中的比较中，在转子中使用非常强的NdFeB N52永磁体，因此呈现的设备范围内的叠层定子估计给定为固体定子厚度的两倍，然而，取决于连接叠层的方法，这个厚度甚至需要增加更多。因此，一个固体定子在高达，例如，200转每分钟的呈现的设备范围会典型地产出最高的扭矩对重量，要么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，或通过允许更窄的护铁用于相同的转子磁体从而减少重量。增加扭矩对重量具有在这个公开文本其他地方所描述的能量消耗有益效果，可以在很多机器人应用中部分地或全部地偏移增加的涡旋电流损耗至相当高速。一个固体定子还通过减少工艺时间来减少成本，并且在一些案例中甚至允许更低成本的材料和工艺，例如铸钢部件。
[0765] 除了结构和制造成本有益效果，一个固体定子还可以比一个相同材料的叠层定子提供更高的静态扭矩。如图187中所示，固体M-19定子比叠层M-19定子提供更高的静态扭矩，由于叠层之间的绝缘的缺少，其中叠层包括大约5％的叠层定子体积。由于初始的更高的静态扭矩，与呈现的设备的低的横截面面积相组合，固体M-19定子可比叠层的等效物提供更高的扭矩，可能高达50转每分钟或更多。对于常见的电气马达来说50转每分钟是低速度，但是这个对于许多机器人应用来说被考虑为相当地高的速度。例如，如果一个机器人的工作循环是具有最大速度为100转每分钟、平均速度为50转每分钟，那么固体M-19定子的平均效率和扭矩在这个实例中于叠层M-19定子相似。在200转每分钟，对于许多机器人应用来说被考虑为非常高的速度，具有固体定子的典型的实施例的扭矩低于使用叠层定子的实施例大约9％。在使用相同固体定子与叠层定子的比较的图184中的典型的实施例中发现这仅仅是在这个速度上的扭矩损失的1/3，并且鉴于这在固体定子的其他有益效果中被认为可以接受的损耗，例如更低的成本和增加的结构完整度，允许了更低的重量。两个实施例的扭矩的直接比较在图189中示出，并且所有实施例的总损耗的直接比较在图190中示出。应当注意到M-19电气钢不是典型的可用的固体形式，但是在此处出于说明的目的进行直接比较。许多不同的合金可以制备并且在这个呈现的设备中用作固体材料。例如，增加的硅的数量的增加可以在固体定子材料中用于进一步减少涡旋电流。额外的硅的增加可减少静态扭矩但是作为可接受的妥协在更高速度上可减少损失。一个固体定子材料的理想性能特性取决于特定的应用，但是可以由该领域技术人员通过应用此处公开的原理决定。
[0766] 铸铁65-45-18球墨铸铁被示出作为可用于定子的固体材料的另一个非限制实例。这种材料是高度可加工的并且已经被用在各种原型中。它比由M-19制成的相同定子具有更低的静态扭矩，但是随着速度增加会有相似的损耗。在200转每分钟，扭矩和效率仍被考虑是足够的以提供非常高的扭矩对重量和可接受的能量消耗。
[0767] 固体定子可与具有在有益空间内的尺寸和具有不同尺寸但是在实际限制内的气隙的机械一同使用，例如气隙具有厚度的范围从0.005英寸到0.010英寸，取决于穿过气隙的磁力和所使用的材料的强度。在0.010英寸气隙的模拟示出了对于绝大部分公开的范围，在0.01英寸气隙中大于75％的那个范围的面积示出了KR有益效果。唯一一个示出更少有益效果是如最高的KR的最小的尺寸，即在不等式集合A2和A3处或之间。因此，对于所有的马达从0.001英寸到0.01英寸的气隙的有益效果都被发现。对于轴向通量机械，护铁厚度可以是柱子的圆周厚度的轴向厚度的50％或更少，但是这个值是可变的。更厚的护铁导致了KR的损失，更窄的护铁导致了强度的损失。
[0768] 定子可以由任意的热成型的金属或金属合金制成，并且具有一高于30,000或40,000psi的强度产出，例如硅钢、钴合金、球墨铸铁或其他软磁合金，并且在低于20，000psi应力时没有可测量的蠕变。对于一200毫米平均气隙设备来说，旋转速度在大部分时间不应超过100转每分钟，或对于多于25％的时间超过200转每分钟，或对于使用固体定子的最好结果应该大于50转每分钟的平均速度。
[0769] 在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。这样的电机对于给定的电气输入能量示出了通量密度的减少。部分地，这是由于更短的柱子的减少的通量路径长度和从柱子到柱子通过护铁的减少的距离，以及柱子间减少的通量泄露。结果是在公开范围内的马达内施加更高电流密度的能力而不达到饱和。比较于在公开范围外的马达，在给定电流密度下增加的冷却能力和更低的通量密度的组合，创造了一条件的组合，其中在一给定冷却率下对于一给定温度可以获得更高连续扭矩，和在公开范围内马达的峰值瞬间扭矩对重量可显著地更高，由于在有益空间内对于给定的扭矩对重量在一更低的通量密度上操作。
[0770] 在有益空间内的电机具有减少的材料体积，导致减少了制造成本并且减少了制造影响。磁体可通过以下被磁性保持(即使它们的自然状态是从槽中被排斥或部分地排斥)，尽管大部分通量通过气隙链接，在柱子相反端设置额外的深磁体和切口创造向内的偏置。
[0771] 对于将公开的几何形状应用到马达类型如横向通量马达，可能有其他设计考虑会在影响热耗散的程度，并且在公开范围内的其他优势可以被实现。例如，对于一个横向通量马达，柱子的宽度(在平行于线圈的轴的方向)与极间距无关。然而，这个宽度对于决定系统的重量是非常重要的，因为它直接与必要的定子护铁厚度相关。同样必须考虑的是柱子的轴向宽度对线圈的轴向宽度的比例。如果这些数量减少，总的气隙表面面积和导体横截面面积可以通过将整个组件轴向排列来保持恒定。因此，最优的扭矩对重量和热耗散会同样取决于阵列间距和柱子轴向宽度。
[0772] 能量和冷却图
[0773] 如图191中示出，一执行器3400可使用冷却供应器3402冷却。冷却供应器3402可提供一个通过流动通道3404用于冷却执行器3400的流体流动。冷却供应器可连接至任意公开的流动通道，包含任意外罩或开口的内部，或在定子或转子上或任意公开的载体。执行器3400还可由能量供应器3406提供电源(电气励磁)。能量供应器3406可使用能量连接器3408提供电源到执行器3400。
[0774] 轻量实施例
[0775] 图182到图199B中示出的视图是根据公开的原理的独立执行器组件的简单图样。它使用了套管代替了轴承，具有成本和重量有益效果并且适用于很多应用，其中更低的速度和或更短的服务寿命是典型的。注意在任意一张图中都没有示出导体，并且导体可以是包含那些在此处其他实施例公开的任意类型。
[0776] 参照图192，一个此处示出的执行器3500的实施例具有在一个内部转子3504的任一侧上的外部定子3502。在另一个实施例中，可以有一个内部定子在任一侧上带有外部转子，但是这对于冷却而言不认为是期望的。示出的执行器将输出环3506相对于固定环3508移动。在示出的实施例中，输出环3506在执行器的内部直径(ID)上并且固定环3508在外部直径(OD)上。但是在另一个实施例中，输出环可在外部直径上并且固定环可在内部直径上。
[0777] 套管或低摩擦涂层可用于最小化转子3504和定子3502之间的摩擦力，如图193A中示出。在图193的特写中可以更清晰地看到，示出的实施例在每个定子3502和转子3504之间的气隙中具有轴向位置套管或低摩擦涂层3510，并且在转子3504和固定环3508之间具有径向位置套管或低摩擦涂层3512.
[0778] 如图194中所示，定子3502具有柱子3514。柱子3514可以径向地导向并且可具有从柱子的端的外部直径的轴向延伸/间隔3516。这些延伸3516优选地由定子柱子3514和护铁3518的作为一块制成。这在轴向方向上提供了高的刚度，也将扭矩传递到固定环3508上。通过使用柱子末梢作为轴向间隔，它允许导体线圈插入到柱子上而不受干扰。如标记了参考数字3520的箭头所标示，由于定子和转子之间的磁性吸引，定子向内弯曲，特别在示出的实施例中朝向定子的内部直径。定子和/或转子的形状可以预成型，当考虑到磁性吸引时，以获得任意期望的气隙，例如从定子和转子之间的气隙空间的内部直径到外部直径的相当一致的气隙。图195示出了一个带有更多示出弯曲方向的箭头3520的定子柱子3514的特写。
[0779] 如图196中示出，在示出的实施例中的转子3504包括一永磁体(PM)载体3522，保持永磁体阵列(PMs)3524。在示出的实施例中，永磁体载体是一带有转子护铁3526的集中的通量永磁体转子载体。输出环3506转子输出环紧固于永磁体载体3522的内部直径(或在外部直径输出配置中的外部直径)，使用例如压紧配合、粘合剂或扣件等。还可以在这个图中看出，在这个实施例中固定环3508具有用于接受定子柱子的轴向延伸3516的槽3532。
[0780] 图197示出了这个实施例的不具有永磁体的永磁体载体3522。永磁体载体具有柱子3528和护铁3526，都优选地由一块各向同性的材料制成，例如钢合金或铁合金。通量限制孔3530放置在柱子之间的护铁中。
[0781] 图198更加清楚地示出了定子柱子3514的外部直径端的形状，包含延伸3516。在一个备选的外部直径输出实施例中(未示出)，延伸可在柱子的内部直径端。
[0782] 出于说明的目的，图199A和图199B示出了一个转子柱子3528和定子柱子3514的重叠模式。通过实施一转子柱子对定子柱子相差4或更多，并且通过确保至少部分定子或转子的圆周宽度，柱子比在其他部件中的间隙更宽，可以获得一个连续或几乎连续的柱子的重叠。一4柱子差在此处示出，一个更高或更低的差例如2或6或更多可以使用并具有各种的效果。
[0783] 一个在公开范围内的电机的活跃的磁性元件可以插入一个系统作为无框马达或被轴承和有框马达或执行器中的其他结构支撑。一个不寻常窄的从柱子到柱子的通量路径横截面在公开范围的几何形状内是固有的。这个窄截面几何形状提供了从一各向同性的软磁材料例如铁合金或钢合金构建定子的潜力，在对于很多机器人应用合适的速度上具有令人意想不到的增加的性能和/或效率。各向同性软磁材料还提供了结构强度、刚度和蠕变阻抗以获得并保持获得潜在扭矩的高百分比所需的不寻常小的气隙。
[0784] 有许多方式来配置此处公开的电机的实施例的支撑结构和定子和转子之间的轴承。这些中的一些对于本领域技术人员来说是已知的。间隔延伸优选地通过压紧配合或紧密结合特征(未在图中示出)固定在间隔环中以增加定子的刚度。此处所示的其他方式利用了具有由一各向同性转子和定子组件提供的不寻常刚度的结构。这里示出的实施例提供了具有最小重量成本和复杂性的独立执行器外罩和轴承结构。
[0785] 通过使用各向同性定子的固有刚度，用一轴向间隔来支撑定子是可能的，使得防止它们在定子的内部直径或外部直径上被拉到一起。在一个实施例中，间隔在定子柱子的外部直径或内部直径上以延伸部分的形式成型或加工成与定子为一块。如此处所示，这些间隔延伸可以互相接触或接触一个中间的间隔环。在特定的应用中，定子和转子之间的磁性吸引力可足够将组件保持在一起，不需要增加的紧固件或粘合剂。在一个具有200毫米外部直径的典型的实施例中，定子和转子之间的磁性吸引可以高达或大于400千克每定子/转子气隙。此处所示的构造提供了足够的刚度以导致一平均定子内部直径朝向转子.001英寸到.003英寸的位移。定子和转子可预成型使得这个位移在示出的衬套或防滑涂层上不产生压力。在定子和转子之间具有四柱子差，四个等间隔磁性吸引空间可以实现在定子上相当一致的力。低成本和轻质量的轴承配置在此处示出，在定子和转子之间的气隙中和围绕转子的外部直径具有低摩擦衬套材料，例如Teflon。同样可以在定子和/或转子上使用低摩擦涂层。图199A和图199B示出了一个定子和转子柱子几何形状的非限制实例，提供了优选地所有或大百分比(例如50％或更高，虽然更低的百分比可同样提供足够的重叠)的定子柱子始终与转子柱子重叠。重叠柱子的高百分比在定子和转子之间提供了一致的支撑，允许一个低摩擦涂层或中间衬套材料在定子之间保持转子居中。
[0786] 在定子中少量的弯曲对于最小化或消除定子和转子之间的间隙是有用的，同时仍允许热膨胀和制造公差的变化。
[0787] 类金刚石涂层(DLC)或其他低摩擦、低磨损率涂层可以应用于定子和转子柱子末梢。
[0788] 很多材料可以用于定子和转子。在成本和性能方面的典型的材料是球墨铸铁。在定子中由磁性吸引产生的少量的弯曲性可用于预加载定子和转子柱子面一起。定子和/或转子可以使用轻微锥形的形状预成型以获得平行或其他的气隙几何形状。
[0789] 轻重量臂
[0790] 图200到图207示出了一个极密度和柱子高度的公开范围内的设备的典型的定子3802和转子3801的概览和简化截面视图，其作为无框马达/执行器被插入机器人臂3800。注意出于简化，导体和绕线未在这些图中示出。用于臂枢轴支撑的轴承3804同样用于明确气隙3809。这允许无框执行器在系统中使用，而不分离执行器外罩的质量和复杂性。一个增加的轴承3808可用在无框执行器组件的内部直径上，与间隔环3803连接以保持带有更长的径向柱子长度的期望的气隙尺寸。
[0791] 互锁特征3812，允许定子3802通过滑动外罩标签3816之间的定子标签3812附着到更低的臂外罩3806上，并将它们根据上和结束路径3815锁定在位置中。在转子3814上相似的标签将转子3802固定到上部臂部件3806和内部轴承间隔环3803上。定子和转子的质量仅通过增加的固定特征3814、3812和轴承间隔环3803和内部轴承3808的重量增加。
[0792] 间隔元件3803可由低密度材料如铝或镁制成。这个典型的实施例具有175毫米平均气隙直径和25毫米径向柱子长度。各向同性的钢合金或铁合金定子3802和带有护铁的各向同性的钢合金或铁合金转子3801具有充分的刚度以当用轴承在内部直径和外部直径支撑时保持一个0.005英寸的气隙。
[0793] 在一个实施例中，转子3801和定子3802之间的磁性吸引可以用于在轴承3804、3808上提供预加载荷，并且可用于减少或消除紧固件的需要以将轴承保持在上部和下部臂部件3805、3806中。这个构造被认为在简化和轻重量方面是有益的一点，从而允许整个臂组件比使用一个在公开范围外的马达更轻。
[0794] 由于在转子3801和定子3802之间的轴向向内的磁性吸引，它们必须被固定以防止在气隙3809处朝向彼此的移动。获得轻质量而非刚性机器人臂外罩是有益的，所以这个典型实施例提供一种方式从执行器的气隙轴向端装配臂和磁性元件。通过在定子3802和转子3801的外部直径上使用标签3812、3814的阵列，其允许定子和转子插入外罩3805、3806，并且之后转向在外罩3805、3806上与匹配的标签3816、3813的阵列紧密结合。螺纹紧密结合会是另一种选择。
[0795] 一旦转子3801和定子3802装配在它们各自的臂中，具有定子的上部臂组件和具有转子的下部臂组件被带到一起。转子和定子之间的力之后预加载轴承3804、3808，并且对这个尺寸的设备用大约400千克的轴向力将臂关节保持在一起。
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