CN101836349B

CN101836349B - Mp-t ⅱ型机器

Info

Publication number: CN101836349B
Application number: CN200780100253.4A
Authority: CN
Inventors: 多丽斯·维尔斯多夫
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2027-07-13
Also published as: AU2007356497A1; WO2009011673A2; WO2009011673A3; AU2007356497B2; EP2168228A2; CA2693482A1; CN101836349A; US8624460B2; US20110210636A1; JP2010533475A; KR20100041810A

Abstract

MP-T II型机器是交流、两相、三相、或者四相或更多相的多极型的机器，即在电流管中通过附着至圆柱形同心磁管的并联永磁极对之间的多个匝中的轴向电流产生力矩的机器。与MP-T型机器不同，MP-T II型机器使用扁平的永磁体并且在需要时可以包括冷却套管。

Description

MP-T Ⅱ型机器

相关申请的交叉参考

本申请参考了于2006年6月8日提交的标题为“Multipolar FlatMagnets”的第60/811,946号美国临时专利申请，以及于2006年6月8日提交的标题为“MP-T Cooling and Lubrication”的第60/811,944号美国临时专利申请，通过引用将上述申请的全部内容结合到本文中。

背景技术和发明内容

本发明介绍了MP-T II型机器，是先前发明的MP-T机器(见由D.Kuhlmann-Wilsdorf于2005年8月24日提交的标题为“MP-A andMP-T Machines，Multipolar Machines for Alternating and Three-PhaseCurrents”的专利申请PCT/US05/30186)的改进形式。改进有：(i)Halbach或用于“扁平”磁体的其他磁体构造(见于2006年6月8日提交的临时专利申请“Multipolar Flat Magnets”)的互换，(ii)改进的冷却方法(见于2006年6月8日提交的临时专利申请“MP-T Cooling and Lubrication”，该申请结合到本文中)以及由“三条S带(triple S-ribbon)”构造电流管的方法。与之前的机器(即MP-T和MP-A机器)一样，MP-T II型机器也可以用于任何期望数量的相，即，单相(用于AC)、两相、三相(用于三相电流)、四相或更多相。类似的，单个MP-T II型机器还可以被分成NU≥2个基本独立的子单元，这些子单元可以作为电动机和/或发电机工作，并且将至少两个子单元进行组合作为互感器。

MP-T II型机器的优点包括：提高了功率密度；减少了昂贵的永磁材料内容，这导致降低了材料成本；以及更简单的设计从而得到所期望的更低的制造成本。

描述-现有技术

“多极”(MP)机器，即MP电动机及发电机，具有以下特征：(i)以旋转轴为中心的通常为圆柱形“电流管”，(ii)机器电流沿电流管中轴向延伸、规则分隔开的路径在各“匝”中流动，这些路径被径向磁通密度B穿过，该磁通密度由“磁化源”(通常为永磁体)产生，(iii)用于使电流对线匝进行重复操作从而在旋转的任何地方都产生相同方向上的机械力矩的装置。通常，永磁体被安装在由电流管围绕的内磁管的外表面上，和/或包围电流管的外磁管的内表面上。具有旋转电流管的MP机器需要电刷。在无刷MP机器中，电流管是固定的，而“磁化源”绕轴旋转。

在前述MP-A和MP-T机器中，以及在本发明的MP-T II型机器中，存在与用来操作电动机或由发电机提供的电流的相位数量相同的相互绝缘的电流路径。因此，在任一个MP-A机器或MP-A子单元中都存在一条电流路径，在三相MP-T或其子单元中存在三条平行的电流路径，并且通常如果期望有n个电流相位就有n条电流路径。

我们可以如下重复于2005年8月24日提交的专利申请PCT/US05/30186中的先前描述，包括适当的时候进行重新编号：

图1和图2阐述了简单圆柱形MP机器的两种可能的基本几何形状，即(i)具有在固定内磁管(5)和外磁管(6)之间的间隙中的旋转电流管(2)(图1A和图2A)，以及(ii)固定电流管(2)和旋转内磁管(5)和外磁管(6)(图1B和图2B)。在第一种情况中，即在图1A中，电流管2即通过驱动器61牢固地固定至机械轴10，从而在电动机模式中，其驱动该轴旋转，以及在发电机模式中由轴进行驱动该电流管。同时，磁管5和6通过低摩擦轴承35以轴为中心，但是机械锚定至周边物上，例如，在图1A中通过支撑物25锚定至机器底座19上。在第二种情况中，如在图1B中，规则是相反的。现在磁管5和6通过零件29和180牢固地接合至轴10，以在电动机或发电机模式中分别驱动轴10或被其驱动。现在电流管2以轴10为中心，但是该电流管即通过零件181和低摩擦轴承35不围绕轴10进行旋转。如利用不同电源(即图1A中的DC以及图1B和图2中的AC)所表示的，与所有MP机器一样，电流流过电流管，因此在图1A和图2A的情况中，必须通过电刷27(n)将电流提供给运动的电流管。然而，对于固定电流管，如图2B所示，在电动机模式中，通过固定端子提供电流，或可以通过相同的固定端子来从MP-T发电机中提取电能。

应该注意，中心轴不是必须的，并且可以将至机器的固定周围物的任何其他零件的锚定用作中心旋转部件，虽然这可能不太令人满意。不论如何，从机械观点看，电流管或磁管都可以在具有或没有机器轴的情况下进行旋转。下面是一些有关的一般性考虑。

简单的MP机器具有旋转对称的电流管以及旋转对称的磁管。由至外部电源和/或用户的固定端子导致的不对称性通过使电流管旋转容易地调节，电流管中的电流通过电刷被馈送至电流管和/或从电流管中提取。MP-Plus机器也具有旋转对称的电流管，但是其却具有非对称的磁管。这些是并排的N/S S/N极对，相对于这些电极对电源端子必须保持固定。此外，这种情形要求通过滑动电刷将旋转的电流管连接至外部。然而，MP-A和MP-T机器具有旋转对称的磁管，但却具有内置非对称性的电流管，即具有末端突出到区域外的S带或S带部分。该情形允许使用旋转电流管和旋转磁管，如图2A和图2B所示。然而，当旋转电流管和固定电源和/或用户之间的互连也需要滑动电刷时，如图2A所示，可以通过固定端子提供如图2B所示的固定滑动环，从而取消滑动环和电刷。

总之，一方面MP和MP-Plus机器与另一方面MP-A和MP-T机器之间的根本不同在于电流管(2)的形态。MP和MP-Plus机器的电流管旋转对称，如所指出的一样，而MP-A机器的电流管包括电绝缘矩阵中的至少一个传导S带172(见图2)，以及MP-T机器的电流管在任何一系列连续区域中都包含三个相似的、规则分隔开的S带(见图3)，其中每个连续区域都具有用于将电流馈送入以及馈送出的两个端子。

在引用的专利申请中，S带的几何尺寸以及电流管的实际结构，以及所需的电流管外部的180°S带翻转在下面从(重新编号的)图3开始的几幅图中进行了描述。下面讨论了(重新编号的)图4所示的可能磁体布置：

磁管中磁化源的可能布置

如已经指出的，磁化源在磁管中的布置(在[电流管]中产生多个区是可选的)，实际上是其特性。以上的讨论集中在将永磁体作为磁化源，尽管还可以是电磁体，以及图4A中的这些Hallbach布置是关注的焦点。然而，图4B、图4C、和图4D中给出了可能的宽范围的可替换布置的实例，其中，具有点状图案的130是诸如塑料、树脂或陶瓷的非磁性材料，由短波浪线表示的131是通量返回材料，例如，诸如FeSi的软磁铁合金。最后，以较长线表示的132是永磁材料。

附图说明

图1A现有技术：具有旋转电流管2的MP机器的示意性截面图。

图1B现有技术：具有固定电流管的MP-A或MP-T机器的示意性截面图。

图2A现有技术：具有图1A的基本构造的机器的透视图。

图2B现有技术：具有图1B的几何形状的机器的透视图。

图3A现有技术：MP-T机器的电流管中的S带的平面视图。

图3B现有技术：压制前MP-T机器的电流管实体的S带的截面视图。

图3C现有技术：压制后MP-T机器的电流管实体的S带的截面视图。

图4现有技术：根据本发明的包括MP-A机器和MP-T机器的任一MP机器中可能的不同磁体布置的选择。

图5：用于磁通量分布的有限元分析的基本几何形状。

图6：图1A情况中的磁线和场线的形态(如图5中，顶部)以及在电流传导、力矩产生部2(n)中线上的磁通密度(底部)。

图7：图3A情况中的磁线和场线的形态(和图5中，顶部)以及在电流传导、力矩产生部2(n)中线上的磁通密度(底部)。

图8A：三条S带的平面视图。

图8B：用于示出关于与磁体有关的三条S带的电流管壁的截面图。

图8C：折叠件以及将三条S带折叠以形成180°翻转而保持相(a)、相(b)和相(c)的顺序的示意图。

图8D：用于形成180°S带翻转的“缠绕”透视图。

图9：具有固定电流管的无电刷MP机器的纵向截面图，其中设置了两个可能的替换冷却布置。

图10：用于导出冷却方程1Q和15Q的模型。

图11：在外磁管(6)和内磁管(5)中具有扁平磁体并且在电流管壁(2)中具有冷却通道(40)的MP-T机器的截面图。

图12：具有分立的冷却套管的机器的示意图。

图13A：示出冷却通道可能位置的S带的截面图，其中冷却通道具有完全封入带中的通道。

图13B：示出完全封装的冷却通道以及从带表面压制而成的通道的S带的截面图。

具体实施方式

新特征的说明-1.改进的磁体布置

由弗吉尼亚州夏洛茨维尔的弗吉尼亚大学的Eric H.Maslen教授利用有限元分析对MP机器的各种磁体布置进行的未完成的研究已经显示了“扁平”磁体优于Halbach布置，并且看起来扁平磁体还可以优于图4中所示的所有其他布置。图5中示出了“扁平”磁体的一般形态，而表II列出了至今已研究了的各种情况。其中，情况1A和情况2A对于本发明来说尤其重要；由于至今已研究的所有磁体形态都实现了MP-T II型机器的最高功率密度，因此情况3A被用于以下的多种实例中，情况1A用于进行对比的目的，这是因为其明显优于Halbach布置但落后于情况3A。

在所述多个实例中，假设以图6和图7的模型中的35MGOe磁材料代替45MGOe磁材料。这将会使通量密度B增加因子(45/35)^1/2＝1.13。即，商业可用的电动机和发电机的功率密度倾向于通过冷却而受到限制。因此在这里，使用了35MGOe磁材料，这是因为其在失去磁性之前可以比45MGOe磁材料耐受更高的温度。然而，MP-T II型机器不必受到冷却的限制。因此，使用45MGOe磁材料是合适的，尤其是由于其价格与35MGOe磁材料几乎一样。

新特征的说明-2.简化的MP-T II电流管构造

专利申请“MP-A and MP-T机器...”(2005年8月24日提交的PCT/US05/30186)中的各相关附图揭示了相当复杂的电流管构造，包括具有图3所示的电流管两端处的S带的180°翻转的“边缘”。以下的说明和图8呈现了具有情况3A的磁体形态的大大简化的三相MP-T II型机器的构造，如下：

通过使用情况3A，壁宽T＝KT_o＝2KH_mo＝K0.025m，比圆周磁体长度L_ml＝KL_m/o＝K0.075m小3倍(比较表II)，并且通常(如本文中的实例)MP-T II型机器包括三相。因此，有利地，任一相的电流路径的宽度和高度2H_m是等大的。此外，为了抑制涡流，用于任一项的单个S带有利地由轻微扭绞的相互绝缘的绞合线缆构成，该绞合线缆已被压缩成(接近于)二次截面，即边缘长度为ff2H_m，且这些压缩的绞合线缆中的三条可以有利地被融合(粘合)在一起成为厚度为2H_m以及宽度为6H_m＝1L_ml的连续的“三条S带”(173)，如图8所示。各S带中可选的扭绞用于防止电流涌向低通量密度B的区域。出于该目的，每匝一整圈扭绞就足够了，并且更多的扭绞可用于其他原因，例如，更大的导体密度或更大的刚度。在电流转子壁中，三条S带被接合在绝缘边界174(n)中。

相比于在较早的专利申请中提出的方法，图8C和图8D中描述的折叠和缠绕将是用于形成所需的180°盘绕的三条S带的更简单的方法。此外，利用更佳的进行形成，精确尺寸的三条S带进行折叠或缠绕，这将易于允许实现电流管壁中的磁体/S带对准的必要精度，即通过在受控厚度的绝缘边界(174)处以良好的对准将它们绑定在一起而实现在电流管壁中的磁体/S带对准的必要精度。三条S带良好尺寸精度对于在电流管的内表面和外表面处实现电流管的包围将是必须的，从而不会遇到对于磁管的不适当的摩擦和/或磨损。大概将组装比如30°、45°、60°、90°或180°的电流管段，然后，它们将被组装成完整的电流管。

图8C所示的折叠不必很锐利。事实上，如果对盘旋绞合线缆进行锐利的折叠而不会引起断裂或至少削弱其导电性不是不可能的话，这也是很困难的。图8D的“缠绕”避免了该问题。这两种方法都是可能的，这是因为利用轴向延伸的段制造和组装电流管的所示方法的主要限制不在于电流管边缘的厚度，即磁管5和6之间的间隙的外侧，即图8中的任一侧的线XX。实际上，有利地，图8C的折叠可以通过围绕柱状临时***物进行弯曲而形成。

如从图8C可以看出，在通过折叠形成180°翻转的过程中，存在连续折叠是穿入还是穿出附图平面的选择。图8C的形式是最简单的。通过折叠或缠绕180°翻转形成的“边缘”将至少为L_ml＝6H_m宽，但在两端处开始磁管外部的小距离是最好的，即，将他们处于散逸磁场之外，例如通过环形“磁屏蔽体”(90)。由于缠绕形成的边缘的宽度将可能是相似或更小的宽度。

通过如图8D中所描述的通过缠绕来形成180°翻转对于三条S带来说可能是最简单以及最柔和的。其还具有其他优点，其提供了如在下一部分中进一步讨论的“套管”冷却的非常简单的方法。

新特征的说明-3.简化的冷却和润滑

动机

在之前的公开了MP机器的专利申请和发明公开中，已经常规地假设了冷却剂将在两个磁管中的磁体与电流管之间循环。在该方法中，冷却剂将通过整个机器的这些间隙进行馈送，也许除了将浸没在冷却液体中的两个“边缘”之外。这些方法看起来是很吸引人的，这是用于(1)预期的高效冷却以及(2)在电流管壁和两侧磁体之间同时附带的润滑。然而，已经指出了产生的流体摩擦将会显著减少机械力矩，由于在高的相对表面速度的情况下。此外，通过使用成束的绞合导线，电流管壁中的横向热传导将会很差，从而降低了该方法的期望冷却效率。由于这些原因，已经开始寻找替代的冷却方法。本文中公开了以下发明：(1)“冷却套管”，即流体冷却管，从内侧和/或外侧包围一个或两个电流管边缘并与他们进行紧密热接触的流体冷却管，以及(2)嵌入在电流管壁中的“冷却通道”，为具有固定电流管的MP机器提供了有吸引力的替代物。

套管形态

图9示出了基本机械形态，包括提供两种冷却方法。第一种是最简单的，为环绕一个或两个边缘(3)的“冷却套管”(47)，或被结合到如图8D所示的180°“缠绕”的空洞中。为了使边缘(3)与套管(47)或图8D中的通道4中的冷却流体之间的导热性最佳，应该使边缘中的三条S带与套管之间的结合区域、以及S带与(多个)套管之间的导热性最佳。为此，在折叠的180°翻转的三条S带的情况中，相邻的边缘单元(即图8A的水平边缘处)之间的三角凹口以及在折叠处的厚度差应该优选的以一些导热材料填充。为了电绝缘，倘若论述的导热材料也导电，则首先需要将边缘以绝缘涂层进行覆盖。对于缠绕的180°翻转，“缠绕”内侧的空间可以易于容纳用作“套管”的冷却管(在图8D中标注为40)。这样的管将会被通过绝缘胶薄层接合至三条S带。

在折叠180°翻转的情况中，套管还可以安装在内侧圆柱表面处。在两个管端部可以安装两种类型的套管，如在任何但是非常矮胖(squat)的机器(即，非常短的电流管长度L)所需的一样。

电流管中电流密度的限制

环境温度下的电流管

为了在下面对利用套管进行冷却进行简化分析，参考图10的示意性表示。该图示出了流经长度为L、截面为Ai、以及电阻率ρ的导体中长度间隔dx的电流密度j，该电流密度以以下速度产生热量：

dQ/dt＝j²A_iρdx

(1Q)

该热量将通过热传导移动至x＝L处的散热器(图10中未示出)。

利用dθ表示dx的位置与散热器之间的温度差，以及利用λ表示热导率，这样的冷却要求：

dQ/dt＝λA_idθ/L

(2Q)

从而，根据方程1Q和2Q，我们得到dθ/dx＝j²ρ(L-x)/λ，或对于x＝0和x＝L之间的温度差有：

Δθ = \overset{L}{&Integral;} j^{2} ρ (L - x) / λ = j^{2} ρ L^{2} / 2 λ - - - (3 Q)

利用两端之间温度差的上限比方说Δθmax(实际中将总会存在)，然后最大的允许电流密度变为：

j_max＝(2λΔθ_max/ρL²)^1/2

(4Qa)

在数字上，对于占用比如20％体积的利用电绝缘胶接合的铜绞合线来说，沿轴向流动的电流和热量的相关参数在室温下的

和λ＝320w/℃m的情况下，即

(λ/ρ)_Litz＝1.6×10¹⁰[w/℃Ωm²]＝1.6×10¹⁰[A²/℃m²]

(5Qa)

以及根据方程4Qa得到：

j_max，Litz＝(2×1.6×10¹⁰Δθ_max/L²)^1/2＝1.79×10⁵(Δθ_max/L²)^1/2

(6Q)

方程6Q的潜在技术应用的数字实例是用于混合动力汽车或者其他轮式或轨道车辆的扁平型轮毂电动机。在本文中最极端的构造以及使用要求在L＝0.055m的情况下j_max，Litz＝2.25×10⁷A/m²，其电流密度实际上可能位于稳定的情况3A的磁构造的限制以外。如果依然采用该电流密度，则方程6Q得到：

Δθ_max＝(2.25×10⁷/1.79×10⁵)²0.055²[mks]＝48℃

(7Q)

该值Δθ_max ＝48℃是可接受的，这是因为即使在为比方70℃高的环境温度时仅在一端或在散热器端使用套管，其也不会使磁体(在约150℃时)劣化，而两端处的套管将平分L从而将Δθ_max减小到1/448℃＝12℃。

在环境温度下，通过套管进行的冷却被限制于短的机器。通过将方程4Qa重写为方程4Qb可以看出：

L_max＝(2λΔθ_max/ρ)^1/2/j

(4Qb)

该方程用于期望的电流密度j＝1×10⁷A/m²，以及利用其他相同的值得到

L_max＝(2λΔθ_max/ρ)^1/2/j＝0.0179√Δθ_max[mks]

(4Qc)

由于没有进行低温冷却，因此Δθ_max在数字上几乎不会超过64℃或√Δθ_max≤～8(℃^1/2)，这意味着对于不进行低温冷却的机器，对于在两端处利用套管冷却的机器的最大区域长度

来说，到最近套管的最长距离可能不会超过～8×0.0179＝0.14m。

上述结果打开了沿机器以比如1ft的间隔将套管隔开的可能性。对于MP-T II型机器，这是通过如图12所示在外部磁管(如果需要的话也可以是内部磁管)中设置相应间隙来容易地实现的。然而，最佳的间隔将必须通过仔细的分析来确定，包括了解通过绞合导线束的径向热导率的知识。从上述导致方程7Q的近似分析导出的套管之间的1英尺的间隔可以是适度的过高估计，但也可能是过度地限制。

利用套管进行低温冷却的电流管

低温冷却可以显著延伸可利用套管冷却的机器的长度限制，这是因为材料的电阻率ρ大约与绝对温度θ成比例，而其热导率λ几乎与温度无关。因此(根据维德曼-夫兰兹定律)，λ/ρ与绝对温度成反比，即可以写成(在环境温度为300K的情况下)

(λ/ρ)_Litz＝1.6×10¹⁰(300/θ)[A²/℃m²]＝4.8×10¹²[A²/℃m²]

(5Qb)

并且在其他参数相同的情况下，至套管的最大距离为：

L_max，θ＝L_max，amb(300/θ)^1/2

(4Qd)

因此，利用电流管边缘上的套管进行冷却的临界机械长度将在液态空气、液态氢和液态氦温度下分别可以大约为其两倍、四倍或增加十倍。在最后一种情况中，即，利用液态氦进行有效冷却时，不仅大多数实际的机械长度可以被套管冷却，而且还使欧姆机械损耗将直线下降至仅为其室内温度值的百分之几。除了使用电流管的低温冷却的优点以外，在低温下将减少通过辐射(例如磁体和电流管之间的辐射)进行的热交换。另一方面，机器零件的不同热膨胀，尤其是电流管和磁管的热膨胀也将是一个问题。

对套管的要求

接下来，对于其中套管可用的情况中，需要检查其应该多长以及如果有其他特征，则他们应当需要什么其他特征。

在温度差Δθ_c开始，热量将以方程8Q中所示的速率通过具有热导率λ_C和面积A_C的材料制成的宽度为t_C的阻挡层：

dQ/dt＝(λ_CA_C/t_C)Δθ_c

(8Q)

对于包围直径为D的电流管的边缘的轴向长度为Wc的套管，将有：

A_{C} = f_{c} πD w_{C} &cong; 3 / 4 πD w_{C} - - - (9 Q)

其中，因子fc是与套管良好热接触的边缘或电流管圆周的摩擦系数。暂时假设

其符合图8以及在“形态”部分结尾处的讨论。此外，通过套管循环的冷却液将传输走机器废热

其中是摩擦欧姆热损耗，W_M是机械功率。从而将有：

该关系确定了所需的值λ_Cw_CΔθ_c/t_C。现在，将假设优选地用于套管和边缘之间薄阻挡层的材料和粘合剂的热导率(始终以mks为单位)在数字上不超过对于冰混凝土的λ_C＝1.7w/℃m；以及阻挡层厚度可以小到

即坚固的厨房垃圾袋的厚度。利用这些数值，以及假设允许值Δθ_c＝50℃，则可以从方程10Qa得到：

如一个实例，返回到已考虑到的轮毂MP电动机。本文中，要求最高的情况是对于D＝0.32m的W_M＝56kW以及

于是对于该实例，所要求的轴向套管宽度为：

w_C＝0.093×5.6×10⁴/{0.32×6.7×10⁶D)＝0.76cm

(10Qc)

因此，直到将来自最远处的边缘层的热量传递到套管中的冷却液，非常窄的套管就足够了。然而，该实例属于N_T＝4层的机器，并且必须额外考虑到边缘中三个粘合层的热流阻力。如果应当提供与套管和电流管边缘之间的表面接合一样的热流阻力，则所需的套管宽度将为翻四倍，即约为3cm，但是如果也在边缘的内表面上增加套管的话则只需要一半的宽度。

总之，在可以进行更可靠的预测之前，需要很好的了解输入参数，尤其是λ_C和t_C。无论如何，当前的粗略评估首先表明短机器套管将非常有效，并且不需要过宽，以及以图13的方式规则间隔开的套管可以制成优良的冷却***。

与扁平磁体接合的在电流管壁中的润滑及冷却通道

根据上述“新特征的说明-1.改进的磁布置”部分，MP-T II型机器将优选地采用图7中所示的情况3A的“扁平”磁体。除了增加功率密度和减少成本以外，扁平磁体阵列还具有以下其他的优点：它们将允许减小在转子和磁体之间的间隙，如图11所示。由于存在于Halbach布置中的可能冷却通道是密闭的，因此电流管的壁宽度可以增加大约四分之一，并且在扁平磁体和圆柱形电流管表面之间形成的小间隙存留并均匀地分布润滑剂。此外，为了有效地冷却，将使用电流管中的通道40，如图11和图13所示。

图11关于冷却通道40的尺寸和布置、电流管壁宽的相对尺寸，以及磁体尺寸的描述是可以进行广泛调整的，如图13进一步详细阐明的一样。图9中的描述也可进行类似的调整。例如，如9所示内磁管(5)在哪以及如何通过零件29连接至轴(10)可自由地适应于各设计方案，其中假设只有轴10和内磁管被强制一起旋转。实际上，由于磁管5和6的相互磁引力，它们将一起旋转，可以将磁管6而不是将磁管5牢固固定至轴10，或者实际上利用任何其他合适的装置使机械轴相对于周围环境稳定地保持。事实上，完全无需存在轴。例如，外磁管6可以由装配有轴承的基座支撑，该轴承将磁管轴保持在固定位置处，并允许磁管6进行如图1B和图12中的零件28所示的自由旋转。无论是否利用轴10来完成，都会将电流管2的位置固定在由于磁力对之间的相互磁引力而一起旋转的两个磁管之间的间隙中，同时电流管2通过线缆防止对于电源和冷却连接的最小程度的旋转。从而在图9中利用唯一存在、可能存在或者甚至可能不存在的实例示出了支撑物29和181。

与上述考虑一致，电流管在两侧上与磁管5和6中的磁体之间的适当的滑动配合将是有帮助的。即使如此，如在图11的图例中概述的，应该在电流管的每一侧保留约为D的0.06％的间隙，在磁体之间保留约0.5mm的间隙，以防止由于不同的热膨胀造成的应力。与在冷却管40的尺寸、形状和定位的选择中已经指出的范围一起，在选择通道40到流入馈送管(41)和流出排出管(42)的连接定位以及它们和冷却剂入口(51)和出口(52)的定位和形状中存在类似的范围。在图9中，所有的这些都是被建议的但是不是固定的位置。在优选实施例中，冷却通道40与流入管和流出管(41和42)之间的连接将穿过电流管壁形成，其中允许该连接延伸得稍微超出磁管并且在遇到边缘之前。

如上指出的冷却管40安装的更严格检查提出了一些困难。图13中示出了用于将冷却通道结合到两个三条S带中或者其间的不同形态。这些形态之一是在各S带中线附近形成匹配的凹痕，以在将S带装配在一起时提供冷却通道。那些凹痕在电流管本体外侧边缘(3)中不用于使用的目的，该边缘包括三条S带的180°翻转。从而那些凹痕将必须紧邻地在整个S带的适当长度上成形，以及从图8中的线XX XX上方的液流被省略或被封闭。此外，在电流管本体限制(线XX处)附近到通道40的接口将被制成为通向以及来自入口管和出口管，41和42，并且他们都必须是防泄漏的。对于每个电流管壁多达一百或更多的三条S带(即，N_Z ＝πD/L_m/，方程4)，这将会是一个巨大的技术挑战，尤其是对于小的磁体厚度，例如，K＜～0.2。这些相同的考虑应用于被完全限制于电流管壁内的所有的冷却通道40(见图13)。

替代方式将使电流通道壁暴露于一个或两个圆柱形电流管表面，如在图13下部所示。这些具有相当大的优势，但是阻挡层48的性质和安装需要仔细进行评估。

除了三相(n＝3)以外的多相电源以及优化的磁体布置

上述阐述和说明集中于三相电源，即三条S带(173)，这是因为在这一点上，期望最频繁应用MP-T II型机器。然而，该关注并不意味着MP-TII型机器不能应用于除了n＝3以外的n相中。实际上，可以通过简单地将S带分成n＞3个部分来代替n＝3个部分，从而利用任意数量的n＞3的相来制造上述相同的构造。例如，对于7相电流，对应的相可以适当地标记为a、b、c、d、e、f和g。然而，对于n＜3，优选地可以减小S带的宽度。具体的，对于AC(即单相)MP-T II型机器，可以将S带宽度减少至(2/3)L_ml，并且对于n＝2相电流也可以是类似的。这些都是临时阐述的，然而对于这些情况，旨在优化的详细分析将是及其合理的。具体的，通过将用于单相的线缆制造得过度宽来制造S带可能是非常复杂的，并且即使是并联电连接也优选地进行细分。此外，需要研究确定S带相对于磁体宽度的整个宽度，以优化成本和每个功率单位的重量。

上述对不同相数的考虑(如本文中所有实际的考虑)受到磁体布置的严重影响。以上对情况3A的关注反映了在表II中的所有情况中看起来立刻产生最高功率密度的事实。然而，如果情况3A恰好是最好实现的，则将是非常特殊的一致。此外，可实现的最高电流密度也是不确定的。正在进行扩展必须的有限元分析以封闭这些间隙的努力。

通过在冷却通道中的冷却水流进行冷却的冷却效率

功率W_M和相对损耗

的MP机器的欧姆损耗热量

由在区域长度L上传递通过面积πD/2T的电流密度j产生，从而其为：

假设该损耗热量将被以速度Vc流经组合面积为1/4πDT的冷却通道的冷却水来去除，该冷却水具有指定热量c＝1cal/cc℃＝4.2ws/cc℃，并通过流入/流出温度差Δθ_C进行加热，即

其在数值上满足

v_C×c×Δθ_C＝2Lρj²

(13Q)

其中对于如前所述的成束、压紧的绞合导线，c＝4.2×10⁶[ws/℃m³]和

有：

v_C×Δθ_C＝2Lρj²/c＝9.5×10^-15Lj²[mks]

(14Q)

为了评估这种冷却(即利用流经电流管壁2中的冷却通道40的水进行冷却)的限制，考虑了L＝5m的最坏可能情况，以及高但却合理的值Δθ_C＝50℃，以得到所需的流速：

v_C，5m，50o＝9.5×10^-16j²

(15Qa)

此外，如果将其限制于守恒值

则最大允许电流密度为：

j_{max，5m，50o}＝(1/9.5×10^-16)^1/2[mks]＝3.2×10⁷A/m²＝3200A/cm²

(15Qb)

这意味着对于最长的实际区域长度L＝5m，利用穿过电流管壁的冷却通道40的水流进行的冷却将适用于高达3200A/cm²(实际上该值恰好，超过该值磁体布置将变得不稳定)，并且在冷却剂流速Vc＝1m/sec以及任意区域长度L情况中，适用于：

(Lj²)_{max，50ol m/s}≤5.2×10¹⁵[A²/m³]

(15Qc)

即，在L＝1m时，适用于j＝7200A/cm²。这些极大放大的图示显示出在实际的所有情况中占据电流管壁宽度10％或更少的冷却通道将是适当的。

总结

将先前具有固定、无刷电流管的MP-A和MP-T机器的发明扩展成MP-T II型机器，该机器包括：

(i)“扁平“磁体，其代替Halbach布置，从而提高了功率密度；

(ii)具有180°翻转的“三条S带”或两种类型的“边缘”中的任意一种，这大大简化了机器构造；

(iii)利用两种替代方法改进的冷却和润滑。

如连同以上第(iii)点所示，MP机器、电动机以及发电机，尤其是MP-T II型机器，可以被有利地装配有“扁平”磁体，该扁平磁体利用大约0.0006D间隙与边界润滑电流管进行与外磁管以及内磁管上的磁体相反的滑动，其中，D是电流管直径。需要这些间隙来调节电流管与磁管的不同热膨胀，其中假设最大的温度变化为110℃。

进一步连同以上第(iii)点，介绍了两种新的冷却方法。

1.使冷却液流经围绕一个或两个电流管边缘的“套管”，它们由外侧和/或内侧延伸到磁管外部，和/或周期性地将套管放置为与固定电流管紧密热接触。该方法在环境温度下尤其对于区域长度L≤1ft的短机器是非常有利的，或可替代地要求冷却套管沿区域长度以1 ft或更小的间隔来布置。然而，即使利用规则分隔的套管，该方法仍然是非常简单和有效的。机器的低温冷却使冷却套管之间的允许间隔增加了

其中θ是以kelvin为单位的电流管的绝对温度。

2.在电流管壁中设置了轴向延伸的冷却通道(40)，并且使冷却液流过这些通道，优选地从围绕电流管壁的流入馈送管流入并经由电流管壁另一端的相似流出排出管流出。如果冷却管的组合面积占据内磁管和外磁管上磁体之间的面积的1/4，如果区域长度L等于这些管的长度，如果水是冷却液以及如果其以1m/sec在流出和流入之间的50℃温度差条件下流动，则电流管壁中的最大可允许电流密度将为

即大大超过了磁管5和6的磁极彼此滑过时的电流密度。更现实的，冷却通道对于电流管壁1％的占有率对于所有实际要求都是适当的。

MP-T II型机器的分析

下面对MP-T II型机器进行的分析提供了对于机械构造和性能的通用方程以及多个数字实例。

三相MP-T II型机器工作的近似参数关系

(假设为“扁平”磁体，且磁体间没有间隙，临时地为情况#A设计)

A_Z＝(1/3)L_m/T＝(1/3)K²L_m/oT_o每相的电流的截面

B＝垂直于电流的有效磁通量，

C_M＝机器的材料成本＝$40×m_m+$10×(m_M-m_m)，

D＝电流路径中线处的直径，

(假设所有的都相同)，

F₁＝每匝的洛伦兹力，

H_m＝KH_mo＝永磁体的厚度

I＝通过各个匝的电流＝Ja_z

i_M＝2i＝机器电流(假设在任意时刻都通过区域中的B的两相)，

j＝电流密度，

K＝磁体组装尺寸比例系数

L＝电流管的长度

L_b＝KL_bo＝通量返回材料的径向厚度

L_m/＝KL_m/o＝区域宽度，即永磁体在圆周方向中的宽度，

M_M＝W_M/2πv＝机械力矩，

N_T＝层数

N_U＝实际将机器分成的独立单元的数量

N_Z＝πD/L_m/＝区域数量

R1＝第个区域的欧姆阻抗

v_r＝πDv＝(π/60)Dω_rpm＝电流与永磁体之间的相对速率

V_M＝N_ZV₁＝机器电压，

V₁＝每个区域的感应电压，

V_Ω1＝每个区域中电流路径中的欧姆电压，

ι.□＝ω_rpm/60＝以Hz为单位的转速，

ω_rpm＝60v＝以rpm为单位的转速。

用于MP-T II型三相机器的主要方程

(将表在通篇中的单位[mks]与瓦特、安培和伏特进行比较；保留了很多有效数字以避免舍入误差的累积)

结构参数

(N_T＝N_U＝1，在3A的情况下，即H_m＝KH_mo＝K 0.0125m，L_m/＝6H_m，L_b＝H_m，T＝2H_m，B＝0.58t，在任一时刻三相中的两相仅在场B中流过；d＝8000kg/m³，ρ＝2×10^-8Ωm)。

每相的电流路径面积：A_Z＝(1/3)T L_m/＝4H_m ²＝4K²H_mo＝6.25×10^-4K²[m²] (1)

每相的电流：I

电流密度：j＝i/A_Z＝i/6.25×10^-6K²＝l600K²I[A/m²] (2)

独立部分的有效机器电流：i_M＝2i＝2Ja_Z＝1.25×10^-3K²j (3)

(假设在任一时刻三相中的两相以峰值磁通密度B流动)

区域数量：N_Z＝πD/L_m/＝πD/6H_m＝πD/6KH_mo＝41.9D/K[mks] (4)

每个区域的洛伦兹力：F₁＝i_M B L＝1.25×10^-3K²B Lj (5)

总洛伦兹力：F＝N_Z F₁＝3.04×10^-2KD Lj (6)

力矩：M_M＝(D/2)N_ZF₁＝0.0152KD²Lj (7)

机器功率：W_M＝(2πω_rpm/60)M_M＝1.59×10^-3KD²Ljω_rpm (8)

每个区域的电压：V₁＝v_rBL＝(π/60)Dω_rpmBL＝3.04×10^-2N_TDω_rpmL (9)

机器电压：V_M＝N_ZV₁＝1.27D²Lω_rpm/K (10)

每个区域的欧姆电压损耗＊：V_1Ω＝ρLj (11)

相对欧姆损耗：

欧姆机器阻抗：R_M＝N_ZρL/A_Z＝1.34×10^-3DL/K³ (13)

磁体材料的质量：m_m＝2πd DLKH_mo＝628 KDL[kg] (14)

通量返回材料质量：m_b≤2πd DL KL_bo＝628KDL＝m_m[kg] (15)

电流路径质量：

m_{Cu} &cong; 2 πdDLK T_{o} &cong; 628 KDL = m_{m} [kg] - - - (16)

磁体材料的成本：C_m＝$40×m_m＝$25,100KDL (17)

机器质量：m_M＝1.3(m_m+m_b+m_Cu)＝1.3×3m_m＝3.9m_m＝2450KDL[kg] (18)

机器材料成本：C_M＝$40×m_m+$10×(m_M-m_m)＝$10×(4+2.9)m_m-1.77C_m-

＝$44,400KDL (19)

功率密度：W_M/m_M＝6.45×10^-7Djω_rpm orm_M/W_M＝1.55×10⁶/Djω_rmp (20)

每个功率单元的成本：C_M/W_M≤$2.79×10⁷/Djω_rpm(21)

表1：在N _T ＝N _U ＝1的情况下MP-T II型机器的预测性能，所有均以[mks] 为单位

(以上方程1-21的总结)

数字实例

关于电流密度、机械损耗和“浮动损耗”的评论

从上述方程和表1可以看出，通常在概念及推测的实际机器中，损耗

所起的核心作用在于其与电流密度j(见方程12)成比例，以及力矩、机器功率和功率密度也是如此(见方程7、8和20)。因此，如果将损耗设置在一些预定水平，则典型的效果是直接设置了成本以及功率密度水平，尤其是在以低转速的情况下，除非独立确定电流密度。

在许多情况下，即使不是大多数现有类型的电机器，发热损耗率(即损耗

)即由于冷却问题而限制了机器的设计。这些都源自内部机器温度被至少限制于在永磁体和/或机器部件材料劣化的水平处的事实。在现有的机器中，导体倾向于至少部分为线圈的形式，即，嵌入在一些绝缘中的导线，从而不良导热的“灌注”材料中，该“灌注”材料降低减慢了废热散除率，或相反地，升高了内部机器温度。由于它们的无线圈构造以及可用的有效冷却***，MP-T II型机器实际上没有此妨碍，几乎不需要进行废热去除，即使有废热的话也是有限的。因此，上述限制

的原因不会或者仅非常少地应用于MP-T II型机器。

在基于情况3A的MP-T II型机器中，代替磁体形态，将电流密度限制为～1.2×10⁷A/m²＝1200A/cm²。在更高的电流密度处，电流密度和力矩之间的比例(方程7)被逐渐打破，并最终内磁管和外磁管中的相关磁极将彼此相互滑过。用于确定最佳磁体形态，以及在高电流密度时M_M对于j(方程7)的相关性的有限元分析仍然非常不完全的。在该点处，j＝1.2×10⁷A/m²被认为对于情况1A和情况3A来说是安全的，并且在概念机器设计中，采用了临时最大电流密度j_max＝1.2×10⁷A/m²。在任何情况中，都推荐以优化MP-T II型机器为目的进行仔细分析。

冷却通道占据电流承载、力矩产生区A_z的一部分。然而，论述的j_max的限制涉及在内磁管和外磁管(标号5和6)之间的总电流，其不受为冷却通道让出空间的影响，例如11和13所示。即使如此，平均起来，冷却通道减少了电流承载部分A_z，从而提高了局部电流密度以及发热。具体的，如果冷却通道占据电流管壁面积的n分之一，它们使发热提高了n/(n-1)，具体的对于极端情况1/n＝3/4，发热提高了因子4/3＝1.333。冷却通道增加发热的这种效果在下面的数字实例中进一步地考虑。然而，使用最大电流密度(即j_max＝1.2×10⁷A/m²)的效果，代替一些预先选择的损耗而在标题为“浮动损耗”中检验

。

实例a：功率100hp以及速度200rpm，M _M ＝3580N _m 的MP-T I型电动机

K＝0.25，

的机器

在W_M＝7.5×10⁴watt且ω_rpm＝200rcv/min处，力矩为M_M＝60×7.5×10⁴/2π200＝3580Nm，即根据方程7有：

M_M＝0.0152KD²Lj＝3850(7a)

其中

KD²Lj＝2.52×10⁵[mks](23a1)

第一个决定将是K的选择，K应该越小越好，以减轻机器重量以及节省永磁体成本，而不会不适当地使机器构造的实现变得复杂。我们可以临时地选择K＝0.25以使磁体为H_m＝K 1.25cm＝0.31cm厚以及区域在圆周方向上为6H_m＝1.88cm宽。利用该K＝0.25的选择可以得到：

D²Lj＝2.52×10⁵/K＝1.01×10⁶[mks].(24a1)

然后，下一个选择是电流密度j。希望使其尽可能大，以得到小的D²L值，从而减小磁体和机器重量，但是将受到根据方程12中损耗

与j成比例的事实的限制，即利用ω_rpm＝200rpm，得到：

选择我们将得到

其中

j＝1.21×10⁷D.(27a)

对于D＝0.55cm(为了不使j降的过低也不以不必要的大电动机结束)，则我们从方程27a可以得到：

j＝6.67×10⁶[A/m²]＝667A/cm²(28a1)

以及根据方程(24a1)

L＝1.01×10⁶/D²j＝0.50m.(29a)

利用这些尺寸，根据方程14得到所需的磁质量

m_{m} &cong; 628 KDL = 43.2 kg - - - (14 a 1)

成本计算

并且根据方程18和19，机器质量将为

m_M＝2450KDL＝168kg＝370lbs(18a1)

成本计算

C_M＝$44,400KDL＝$3050(19a1)

对于重量功率密度

m_M/W_M＝1.55×10⁶/Djω_rpm＝3.51b/hp(20a1)

以及特定材料成本为：

C_M/W_M＝$30.5/hp.(21a1)

根据方程10，在K＝0.25，D＝0.55m以及L＝0.50m的情况下，电压(不考虑

)为：

V_{M} = 1.27 D^{2} L ω_{rpm} / K &cong; 154 V - - - (10 a 1)

机器电流为：

i_{M} &cong; W_{M} / V_{M} = 490 A . - - - (30 a 1)

具有“浮动损耗”和K＝0.25的相同但等轴(即L＝D)的机器

在j＝j_max＝1.2×10⁷A/m²，K＝0.25以及L＝D的情况下，方程(23a)产生

D²L＝2.52×10⁵/Kj_max＝0.084[m³]＝D³＝(0.438m)³.(23a2)

这样导致损耗为：

以及磁体质量为：

m_{m} &cong; 628 KDL = 30.1 kg - - - (14 a 2)

成本计算

然后，根据方程18和19，机器质量将为：

m_M＝2450KDL ＝118kg＝260lbs (18a2)

成本为：

C_M＝$44,400KDL＝$2,130(19a2)

重量功率密度为：

m_M/W_M＝1.55×10⁶/Djω_rpm＝2.41b/hp(20a2)

以及特定材料成本为：

C_M/W_M＝$21.3/hp.(21a2)

根据方程10，在K＝0.25以及D＝L＝0.438m的情况下，包括

电压为：

机器电流为：

i_{M} &cong; W_{M} / V_{M} = 790 A . - - - (30 a 2)

具有

而K＝1的相同机器

所有的以上参数都是非常合理的。较大的K值将通过降低待安装的磁体件数来降低制造成本，但是在相同直径的情况中，使材料的成本没变但是减小了机器电压。对于H_M＝1.25cm和L_m/＝7.5cm，通过实例考虑到K＝1。在该情况中，

D²Lj＝3850/(0.0152K)＝2.53×10⁵[mks].(24a2)

于是，利用相同的4％的损耗，D＝0.55m的直径，以及6.67×10⁶A/m²的电流密度，得到：

L＝2.53×10⁵/(0.55²×6.67×10⁶A)＝0.125m(24a3)

具有相同的磁体质量：

m_m＝628KDL＝43.2kg(14a3)

但是电压为：

V_{M} = 1.27 D^{2} L ω_{rpm} / K &cong; 9.6 V - - - (10 a 3)

以及电流为：

i_{M} &cong; W_{M} / V_{M} = 7810 A - - - (30 a 3)

这是一个明显荒谬的设计。因此，K的选择主要是实现期望电压的一个工具。

具有K＝0.25以及

但是具有不同的α的相同机器

与参数K相反，纵横比、α＝L/D显著影响机器成本。如在下面的实例中看到的，减少α就减少了磁体质量，从而降低了成本：和之前一样从方程27a以及K＝0.25开始，选择D＝0.8m，得到：

j＝1.21×10⁷D＝9.68×10⁶A/m²(28a4)

以及根据方程(24a1)，在K＝0.25，D＝0.8m 以及j＝9.68×10⁶A/m²的情况下得到：

L＝2.52×10⁵/(D²Kj)＝0.163[m](24a4)

其中，

m_m＝628KDL＝20.4kg(14a4)

以及

m_M＝2450KDL＝79.9kg＝175lbs(18a4)

则m_M/W_M＝1.75hp/lb或者W_M/m_M＝0.94Kw/kg.(20a4)

而

V_{M} = 1.27 D^{2} L ω_{rpm} / K &cong; 106 V

其中，

i_{M} &cong; W_{M} / V_{M} = 708 A - - - (30 a 4)

以及

C_M/W_M＝$2.79×10⁷/Djω_rpm＝$14.4/hp.(21a4)

因此，为不寻常的矮胖机器(α＝L/D＝0.163/0.80＝0.20)的花费带来了可观的成本降低，以及显著降低的机器电压。

结论

如可以看出的，选择范围非常大。选择

过度保守，并且具有的“浮动”损耗带来很大的机器成本节省，即节省了$21.3/hp/$30.5/hp，即节省了将近三分之一。同时，将损耗从4％提高到9％的金钱效益为96％/91％＝1.055，即节省了5.5％，并且这至少在纵横比方面是有利的，即α＝1而不是α＝0.9。因此，应该对损耗水平给予全面的考虑，以优化***，不论其是电动机还是发电机。

实例b：功率6100hp以及速度120rpm，M _M ＝3.62×10 ⁵ Nm的MP-T II 型电动机

序言

除了参数K允许机器电压的调整的功能外，K的选择还影响机器的制造。这是因为处理各个磁体的难度随着尺寸而增加，即由于磁体间的磁力大约与K³成比例，而随着降低K值安装磁体的成果逐渐增加，这是因为磁体数量以及放置磁体所需的精度大约提高1/K²。这些考虑的重要性随着机器尺寸的增加而增加。因此，在大机器以及其中没有对电压加以限制的情况中，选择K＝0.4作为两个指定问题(即大的数量以及难以处理大磁体尺寸)之间的感觉良好的折衷。经验会告诉我们什么是最好的选择。同时，将机器细分为可以被串联或并联连接的独立单元的可能性大大简化了将电压调整为想要的电平，即使在相同的K情况下。

具有K＝0.4，以及α＝1/2的机器

在W_M＝6100hp＝4.55×10³Kw和ω_rpm＝120rpm时，M_M＝3.62×10⁵Nm。从方程7我们可以得到：

M_M＝0.0152KD²Lj＝3.62×10⁵[mks](7b)

即

KD²Lj＝2.38×10⁷[mks].(23b1)

利用K＝0.40(基于上述考虑)，得到：

D²Lj＝2.38×10⁷/K＝5.95×10⁷[mks].(24b1)

再次选择

(即使如以上建议的利用较高的损耗，例如

实现了节省大量成本和重量)，从方程(12)利用ω_rpm＝120rpm得到：

其中

j＝7.28×10⁶D(27b1)

以及通过将27b***方程(24b1)得到：

D³L 7.28×10⁶5.95×10⁷[mks]，i.e.D³L＝8.17m⁴.(31b1)

在这一点上，研究长宽比α＝L/D的效果是有用的，以将方程(31b1)写成αD⁴＝8.17[m⁴]，即α^1/4D＝8.17^1/4＝1.69m产生

D＝1.69/α^1/4[m]和L＝α^3/41.69[m].(31b2)

因此，利用K＝0.4得到

m_m＝628KDL＝251(1.69/α^1/4)(α^3/41.69)＝α^1/2718kg.(14b1)

在数字上，m_m随着α值的减小而迅速地减小，但是对m_m的影响逐渐减小，而矮胖机器直观上日益变得笨重起来。因此，选择α＝0.5作为合理的折衷。利用该α从(31b2)得到：

D＝2.01m和L＝1.00m (31b3)

对于方程(14b 1)产生：

m_m＝628KDL＝628×Kα^1/21.69²＝508kg (14b2)

成本为：

C_m＝$20,300(17b1)

而

m_M＝3.9m_m＝19980kg＝4360lbs(18b1)

成本为：

C_M＝1.77C_m＝$35,900(19b1)

或C_M/W_M＝$5.9/hp.(21b1)

得到的功率密度为：

m_M/W_M＝0.71lbs/bp或W_M/m_M＝2.30Kw/kg.(20b1)

此外，得到电压为：

V_{M} = 1.27 D^{2} L ω_{rpm} / K &cong; 1,540 V - - - (10 b 1),

其中

i_{M} &cong; 4550 Kw / 1540 V = 2950 A - - - (30 b 1)

具有“浮动损耗”和K＝0.4的相同但等轴(即L＝D)的机器

利用j＝j_max＝1.2×10⁷A/m²，K＝0.25和L＝D，得到力矩方程(7b)：

M_M＝0.0152KD²Lj＝3.62×10⁵[mks](7b)

D²L＝2.38×10⁷/Kj_max＝4.96[m³]＝D³＝(1.70m)³(23b2)

得到损耗为：

以及磁体质量为：

m_{m} &cong; 628 KDL = 726 kg - - - (14 b 2)

成本为于是，根据方程18和19，机器质量将为：

m_M＝2450KDL＝2830kg＝6230lbs(18b2)

成本为：

C_M＝$44,400KDL＝$51,300(19b2)

重量功率密度为：

m_M/W_M＝1.55×10⁶/Djω_rpm＝1.0lb/hp (20a2)

以及特定材料成本为：

C_M/W_M＝$8.4/hp.(21a2)

根据方程10，在K＝0.4以及D＝L＝1.7m的情况下，包括

电压为：

机器电流为：

i_{M} &cong; W_{M} / V_{M} = 2330 A . - - - (30 b 2)

结论

该实例示出了存在根据磁体布置的稳定性得到的、以及不必大于保守标准的

的上限。

具有K＝0.4，但α＝1的相同机器

所有的上述值都是非常合理的，尤其由于(如果希望的话)该机器可以被分成每个都具有约750V的两个串联的部分，或相反地分成具有一半电流(即1500A)的两个并联部分，或者通常分成具有V_M/n电压i_M电流或具有V_M电压和i_M电流的n个部分。事实上，上述结果由于矮胖设计是非常有利。对于相同的K＝0.4、电流密度和损耗的等轴的机器，各值如下变化：方程(31b1)产生：

D＝L＝1.69m(31b4)

磁体材料质量为：

m_m＝628KDL＝628×K×1.69²＝717kg(14b3)

机器质量为：

m_M＝3.9m_m＝2800kg＝6155lbs(18b1)

以及功率密度为：

m_M/W_M＝1.01lbs/hp 或W_M/m_M＝1.62Kw/kg.(21b1)

机器电压变为：

V_{M} = 1.27 D^{2} L ω_{rpm} / K &cong; 1,840 V - - - (10 b 2)

电流为：

i_{M} &cong; W_{M} / V_{M} = 2470 A . - - - (30 b 2)

特定材料成本为：

C_M/W_M＝$50,760/6100hp＝$8.3/hp.(21b2)

具有K＝0.3以及浮动损耗的用于密集船式驱动的加长机器(α＝3)

根据重写的力矩方程(7)，即，

KD²Lj＝3.62×10⁵Nm/0.0152＝2.38×10⁷[mks](24b2)

利用K＝0.32(用于不太低的电压)来获得，其中L＝αd＝3D 以及

j_max＝1.2×107A/m²

D²L＝αD³＝2.38×10⁷/Kj_max＝6.19[m³]＝(α^1/31.84[m])³(23b3)

即

D＝1.84/α^2/3＝0.88m和L＝1.84α^1/3＝2.65m (31b4)

导出损耗为：

利用这些值，即K＝0.32、D＝0.88以及L＝2.65m，磁体质量变为：

m_m＝628KDL＝469kg(14b4)

成本为：

C_m＝$18,750(17b3)

而

m_M＝3.9m_m＝1,830kg＝4,020lbs(18b3)

成本为：

C_M＝1.77C_m＝$33,200(19b3)

或

C_M/W_M＝$5.4/hp.(21b3)

得到的功率密度为：

m_M/W_M＝0.66lbs/hp 或W_M/m_M＝2.50Kw/kg(20b3)

以及电压和电流为：

V_{M} = 1.27 D^{2} L ω_{rpm} / K &cong; 980 V - - - (10 b 3)

i_{M} &cong; W_{M} / V_{M} = 4550 A . - - - (30 b 3)

如果需要的话，通过降低K来增加电压，这是因为即使在设置机器尺时这也会增加机器的尺寸，即V_M与K成反比。然而，如已经讨论的，减少K将增加机器的构造成本。从而，再一次在确定任何特殊设计之前仔细建模是合理的。在一些情况中，特定材料成本非常低而功率密度很高，而不管现有实例的尽量加长设计。

对于小型MP-T II电动机或发电机的总评

由于MP-T型机器需要电子控制并将仅以60Hz的电流一致地工作，因此看起来不太可能将大量小型MP-T机器偶尔用于寻常的任务，例如用于操作汽车车窗或为真空清洁器和缝纫机提供能量。即使如此，由于其可实现的高功率密度，因此紧凑型MP-T II机器，不管是电动机和/或发电机，都可以在例如用于无人驾驶飞机、无人水下车辆或太空中的发电机的高科技应用中具有应用前景。在尺寸下限处，D可以例如小至10cm或更小，并且转速至少可以高至15,000rpm。根据方程8，在例如电流密度j＝×10⁷，长度L＝0.3m以及K＝0.2时，将允许有100Kw以上的超现实功率。显然，此处的限制在于冷却。无论如何，给出了高科技需要，就应该尝试使MP-T机器适合它。

表III-数字实例的总结

表II

Halbach以及扁平磁体布置的特性

来自9/27/05的E.Maslen报告的情况X_A，来自5/24/06的E.Maslen报告的情况X_B

X＝情况；L_m＝区域宽度；H_m＝磁管壁宽度；T＝电流管壁宽度＝3/4间隙宽度，L_gB_n用于45MGOE

现在开始对附图中现有技术和本发明的各个方面进行更全面的说明。

图1A的现有技术示出了MP机器的示意性截面图，其中电流管2绕机械轴10旋转，而外磁管(6)和内磁管(5)是固定的。在此情况中，假设在电动机模式下具有电流通道的电流管的机器由DC电源供电。MP-A或MP-T电动机可以包括装配有一个或多个S带的电流管，并可以通过AC或三相供电。

图1B现有技术：与图1A相同，但是用于MP-A或MP-T的情形，其中，磁管5和6绕轴10旋转，而电流管2保持固定，这是因为其通过零件183被机械锚定至基座19。

图2A的现有技术是具有图1A的基本构造的机器的局部切开的外磁管6的透视图，但是其用于具有嵌入的蛇形导体(S带)的绝缘电流管2的情形。

图2B现有技术：和图2A一样，但是用于图1B的几何尺寸。注意，利用固定的电流管2，可以直接通过电流管2的延伸上的相互绝缘的端子176电连接至外部(即，电源或用电设备171)，从而不需要滑动环。从而缩短了机器，增加了其功率密度以及降低了成本。该设计还使得在一个电流管中设计多条S带成为可能，这允许同时使用不同的机器功能和功率源。

图3A的现有技术是MP-T机器的电流管中的S带的平面图；在该视图中，磁***于线XX和XX之间，即位于附图平面之上与之下之间。

图3B的现有技术示出了在压紧之前MP-T机器的电流管本体中S带的截面视图。

图3C的现有技术示出了在压紧之后MP-T机器的电流管本体中S带的截面视图。

图4的现有技术示出了根据本发明的包括MP-A和MP-T机器的任何MP机器中可能不同的磁体布置的选择。

图5：由UVA的Eric Maslen在对各种情况的磁通分布进行有限元分析中使用的基本几何尺寸。MP-T II型机器的临界尺寸有：磁体宽度L_mf，其在这些布置中等于周期距离2L_m；磁体厚度H_m；通量返回材料厚度L_b；以及相对磁体L_g之间的间隙宽度，本文中将其假设为等于电流管壁的厚度。然而，通常MP-T II型机器可以采用NdFeB 45MGOe材料，在E.Maslen模型中该材料产生比NdFeB 35MGOe材料大(45/35)^1/2＝1.13的通量密度。

图6示出了用于根据2005年9月的UVA的Eric Maslen的情况1A的磁体和场线的形态(在图5的几何尺寸中，顶部)以及在电流管2中线处的磁通密度(底部)。如以上在图5的图例中所示出的，在该情况1A中，对于利用NdFeB 45MGOe材料的MP-T机器，该图的下部中的通量密度应当乘以因子(45/35)^1/2＝1.13，为B＝0.56特斯拉而不是0.49特斯拉。尺寸为H_m＝KH_mo＝K1.25cm；L_b＝H_m；L_m＝KL_mo＝K2.5cm，andL_g＝KL_go＝K2.5cm。

图7示出了情况3A的磁体和场线的形态(在图5的几何尺寸中，顶部)以及在电流管2中线处的磁通密度(底部)。再一次的，当使用45MGOe磁体时，期望平均磁通密度为0.58特斯拉而不是0.51特斯拉。尺寸为H_m＝KH_mo＝K1.25cm；L_b＝H_m；L_m＝KL_mo＝K7.5cm.以及L_g＝KL_go＝K2.5cm。在至此已建模的构造中(见表II)，该情况3A看起来是最有利的，但是逻辑上不会是最优的。此外，其峰值

特斯拉在需要其更高的时候确落到了情况1A中的

以下的事实，表明厚度为L_b＝H_m的铁硅背衬太薄，从而机器功率密度的改进值可能会通过调整L_b来实现。此外，假设在使用45MGOe材料来取代时，B与(45/35)^1/2成比例地增加，需要基于这些考虑优先检查。相关的有限元建模正在进行中。

图8A和图8B等同于图3，阐述了由三条S带(173)形成的MP-T II型机器的电流管2的构造，三条S带包括用于相位的三条并行的电流路径(a)、(b)和(c)，它们由轻微扭转的压紧绞合线缆制成。图8A是内磁管和外磁管(5和6)之间的电流管壁的平面视图，其中电流管壁在线XX...XX处结束。电流管壁超过线XX延伸到180°翻转的带173(此处以折叠示出)位于其中的边缘中。图8B示出了通过电流管2的壁和磁管5和6的局部截面图。分别利用中心具有点或叉的圈表示与磁极的改变一致的交替改变方向的电流。在任何时候，在两相(此处为(a)和(b))中流过接近最大的电流，而第三相(此处为(c))具有最小的电流，这是因为其横跨通量密度B改变方向的相邻磁体间的边界。

图8C示出了通过标记出的三个折叠的三条S带173的180°翻转的构造。

图8D示出了通过围绕可同时(如在该附图中)用作“套管”冷却通道(40)的细杆或管轻微盘旋“缠绕”的三条S带173的180°翻转的构造。

图9示出了具有固定电流管的无刷MP机器的纵向截面图，其中该机器包括提供了两种可够替代的冷却布置。这两种冷却布置为：(1)利用密封至少一个边缘与其(该情形中为边缘3(2))良好热接触、并且冷却剂通过其中的“套管”(47)进行冷却。这对于短的机器(不管是电动机还是发电机)来说是一种有利的方法，但是在环境温度条件下其被限于L＝1ft或更小的机器。通过使用强力冷冻的冷却剂，可以将该方法可扩展用于更大的长度；在极端情况中，即在液氨冷却的情况下，可扩展至L～10ft。根据本发明，在环境温度下，对于L＝1ft或以上的机器，优选地冷却方法使用电流管壁(2)内的、并通过流入管和流出管(41和42)提供冷却剂的冷却通道(40)。在没有估计的性能损失的情况下，冷却通道40可以占据电流管壁高达约25％。通道40可以优选地通过穿过刚好在区域外(即磁管外)的电流管壁2、并在电流管壁和边缘3(1)或3(2)之间的接合点之前连接至管41和42。其位于或接近于可选的磁屏蔽(90)(如果使用了的话)的位置处。环形磁屏蔽由软铁制成并覆盖磁管的端部，从而至少部分地掩蔽在磁管外部延伸的杂散磁末端场。

图10是用于方程1Q至4Q的推导的图解模型。

图11是在外磁管(6)和内磁管(5)中具有扁平磁体并且在电流管壁(2)中具有冷却通道(40)的MP-T机器的截面图。可选的，不管是否期望进行预先冷却，都可以使液态或气态冷却剂(例如空气、或水、或有机液体)通过图9所示的馈送管和流出管41和42之间的冷却通道(40)。在优选实施例中，为了有利于实现较低的成本和/或改进的润滑，磁体为均匀厚度的扁平磁体，如该图所示。冷却通道40的布置及其形状和尺寸是可选的。如果机器电流保持不变，并且适当布置冷却通道40占据电流管壁区域的部分f_c，则预期的机器性能可以不受影响，即使损耗

升高了因子1/(1-f_c)。然而，在电流管和磁管之间必须保留热膨胀间隙，这是因为考虑了即电流管(可能是铜)、磁材料以及电流返回铁背衬的不同热膨胀率/收缩率。在潜在的温度变化范围Δθ＝110℃时，给出了金属在绝对零度和其熔化温度θ_M(例如，对于铜θ_M＝l350K，且其比铁通量返回材料高三分之一)之间的线性热膨胀率为约2.3％，则电流管和磁管之间的百分比尺寸差将为～2.3％(110K/1350K)/3＝～0.06％。因此，从安全角度看，在电流管壁每侧上需要D×0.06％的间隙、或每1m直径0.6mm的间隙。期望将磁体固定至磁管的粘合剂可以调节磁体与通量返回材料之间的膨胀差。然而，在相邻磁体之间应该保留～L_m/100的膨胀接合间隙，即通常小于1/2mm。

图12示出了利用包围电流管(2)的断续冷却“套管”(47)进行冷却的MP-T II型机器的一部分的纵向截面图。电流管边缘(3)包括180°翻转的S带，在该情况中为图8D所示的轻微盘旋“缠绕”型。可选的，那些缠绕型的180°翻转包围此处起冷却套管作用的冷却通道(40)。该图示出了两个稍微不同的构造，即右侧为内磁管5连续，而外磁管(6)被冷却套管周期性地间断。根据方程1Q至4Q的推导，对于以环境温度操作，应该以～1ft或更小的间隔分开。在上述附图的左边部分，不仅外磁管(6)而且内磁管(5)都被周期性地间断，即与外磁管的间断一致。如右侧一样的连续的内磁管需要至少一个驱动器，即至轴10的刚性机械连接29，也如图9所示。然而，对于该图左边部分的间断，每个部分都需要至少一个这样的连接，在该图中被标注为29(n-3)和29(n-2)。被标注为6(n)、6(n-1)等的外磁管的各部分由于磁极对之间的相互磁引力而将与内磁管一起旋转。期望图中所示的基板19上带有轴承35的支撑28直接有助于平滑外磁管各部分(6n)的旋转，以及间接有助于整个机器的平滑运转。如左边所示将内磁管5机械地分成多个部分的潜在好处是节省磁材料。然而，此外对于如右侧所示的连续内磁管，优选地在外磁管6的间隙处省去磁体，以节省成本，由于局部没有相对的外磁体，因此内磁体不能完全保持在应用了冷却套管的间隙中的磁通密度。关于是否也将内磁管分成多个部分的决定将不得不基于除磁体成本考虑之外的其它考虑，例如机械稳定性、制造成本等。

图13A和图13B示出了冷却通道(40)在电流管(2)的壁中的可能布置的实例，其中电流管的中线以标注4来表示。图13A示出了其中冷却通道被完全限定在电流管壁内的情形，而图13B示出了完全限定的冷却通道(40(6)和40(7))、以及与2的表面交界从而与滑动界面37和/或38接合的冷却通道(即40(5)、40(8)和40(9))。与滑动界面交界的冷却通道的巨大优势包括：(i)易于制造(例如在制造工艺的任何有利阶段将它们压制在电流管2的表面中)，以及(ii)易于将冷却通道40的位置和长度限定于诸如图9中所示的(41)和(42)的冷却液入口管和出口管之间的部分之间，并将这些冷却通道连接至冷却流体入口管和出口管。它们的缺点包括：在磁管以及安装于其上的磁体之间在长时间滑动期间提供电绝缘、防泄漏、耐用的冷却通道壁的潜在困难。以上附图的目的在于示出可以同时用在同一电流管中的可选的、不同类型的通道，通道截面可以为(该图顶部所示的)圆形、椭圆40(6)、40(7)和40(9)或多边形40(5)和40(8)，它们可以或可以不对于电流管中平面对称40(6)和40(7)，除了诸如相对于中平面4和电流管表面将它们对称放置的任何其它可能的排列之外，它们还可以横跨相邻相40(6)和40(7)的电流路径之间的边界、和/或相邻的三条S带(174)(40(1)、40(2)、40(4)、40(5)、40(8)和40(9))之间的边界。

标号

2	电流管
		3	S线缆或三条S带的180°翻转的“边缘”
4	电流管的中线
		5	内磁管
6	外磁管
		10	轴
19	机器基座
		23	通过低摩擦轴承35在机器基座19上对轴10的机械支撑
25	在基座19上对外磁管6的刚性机械支撑以保持6以轴10为中心
		26	通过低摩擦轴承35使内磁管5以轴10为中心的机械连接
27	分别在滑动环34(1)和34(2)上滑动的电刷，27(1)和27(2)
		28	通过低摩擦轴承35在基座19上对外磁管6的机械支撑
29	在内磁管5和轴10之间以使其一起旋转的刚性机械连接
		33	刷支架
34	滑动环；内滑动环34(1)，外滑动环34(2)
		35	低摩擦轴承
37	电流管20和内磁管5之间的圆柱形间隙/滑动界面
		38	电流管20和外磁管6之间的圆柱形间隙/滑动界面
40	冷却通道(或者至电源或用电设备的电缆)

41	用于冷却通道40的流入馈送管
		42	用于冷却通道40的流出排出管
45	用于冷却内磁管和电流管的可能通道
		46	用于冷却外磁管和电流管的可能通道
47	在环境温度下L＜1ft^＊、或间隔为1ft的机器的冷却套管
		48	电绝缘、防泄漏冷却通道壁
51	冷却剂进入流入馈送管41的入口
		52	冷却剂从流出排出管42流出的出口
61	将电流管2连接至轴10以使其一起旋转的刚性结构零件
		62	将内磁管5连接至轴10以使其一起旋转的刚性结构零件
84	从外磁管延伸的漏斗
		85	推进器或推动器
86	允许流体流过的推动器或推进器的结构支撑
		87	支撑86中的槽
90	磁屏蔽
		130	非磁材料
131	通量返回材料
		132	永磁材料
171	电源或用电设备
		172	单相的“S带”或S带的一部分
173	三相的“三条S带”
		174	三条S带的相邻匝之间的绝缘连接
176	将电流管连接至外部固定部件的电端子
		180	外磁管6和轴10之间以使其一起旋转的刚性机械连接

181	通过低摩擦轴承35使电流管2以轴10为中心的机械连接
		183	基座19上电流管2的刚性机械支撑以保持6以轴10为中心
184	S带的绝缘外表面层
		190	例如，在电流管边缘中用于使S带的连续部分电绝缘的绝缘阻挡层

在不背离所公开的精神和本质特征的情况下，可以以其它指定形式实现本发明。在所有方面中前述实施例应被考虑为是示例性的，而不是对于本文中所描述的本发明的限制。因此，所公开的本发明的范围由所附权利要求限定而不是由前述说明书限定，并且所有在权利要求的等同物范围和含义内提出的所有改变都被包括在本文中。除非进行了明确的相反阐述，则对任何特殊描述以及示出的事件和元件、任何特定大小、速度、尺寸、材料、或频率、或任何所述元件的任何特定关系不存在任何要求。因此，说明书和附图在本质上被认为是示例性的而不是限制性的。通过引用结合到本文中的任何材料中的任何信息都仅通过引用以该信息与本文中的说明和附图之间不存在冲突的程度来结合。在存在包括将导致使本文中的任意权利要求无效的这种冲突的情况中，将通过引用结合的上述这种冲突信息将不具体地通过引用将其结合到本文中。

Claims

1.一种多极机器，包括：多个扁平磁场源，围绕在能够传导电流的电流管的外部及内部；所述电流管具有基本恒定厚度的壁；以及所述多个磁场源在所述电流管壁中的轴向延伸、规则分隔开的多个区域中建立磁通；以及所述磁通在相邻区域之间径向交替；以及所述电流管壁包括至少一条细长的传导S带；所述S带被成形为当所述电流管相对于所述磁场源旋转时，交替地与多个相邻区域基本交叠、以及与所述多个区域之间的间隙基本交叠。

2.根据权利要求1所述的多极机器，其中所述多极机器用作电动机。

3.根据权利要求1所述的多极机器，其中所述多极机器用作发电机。

4.根据权利要求1所述的多极机器，其中所述多极机器用作电互感器。

5.根据权利要求1所述的多极机器，其中所述多个磁场源是扁平的永磁体，所述永磁体附着至外磁管和内磁管，以使它们穿过所述电流管的壁成对地彼此相对。

6.根据权利要求1所述的多极机器，其中所述电流管具有预定的旋转对称的圆柱形状，其中在两个电流管端部处的相关点之间的线为直的或弯的。

7.根据权利要求5所述的多极机器，其中所述外磁管和所述内磁管是固定的，以及所述电流管是可旋转的。

8.根据权利要求5所述的多极机器，其中所述外磁管和所述内磁管是可旋转的，以及所述电流管是固定的。

9.根据权利要求5所述的多极机器，其中所述电流管和所述磁管的所有表面都利用油漆、清漆、天然漆或者使所述多极机器用于侵蚀液体中的其它保护涂层来进行保护。

10.根据权利要求9所述的多极机器，其中所述侵蚀液体包括海水。

11.根据权利要求1所述的多极机器，其中所述S带在所述电流管的两端处被折叠180°，以使所述S带在所述电流管中从一个区域穿到下一个邻近区域。

12.根据权利要求1所述的多极机器，其中至少一条S带由已经被扭转和压紧了的至少一个导线束制成。

13.根据权利要求1所述的多极机器，其中至少一条S带包括两条或更多条并联电流路径。

14.根据权利要求13所述的多极机器，其中至少一个S带包括在所述电流管的两端处折叠180°的两条或更多条并联电流路径，以使当所述S带从转子中的一个区域穿到下一个邻近区域时，所述并联电流路径在每个区域中都相对于彼此保持在相同位置中。

15.根据权利要求14所述的多极机器，其中所述转子包括固体金属制成的S带段的多个部分。

16.根据权利要求1所述的多极机器，其中所述电流管包括至少一个接点，所述接点在包括由导线构成的S带部分的电流管部分和包括由固体金属制成的S带部分的转子部分之间。

17.根据权利要求1所述的多极机器，其中通过设置多个绝缘阻挡层将多个S带细分为多个子单元。

18.根据权利要求1所述的多极机器，其中所述电流管进一步包括两个或更多的同心、机械接合但是电绝缘的传导层。

19.根据权利要求1、2、3、或11所述的多极机器，其中所述电流管包括多个层的压紧的所述S带。

20.根据权利要求1所述的多极机器，其中所述电流管包括冷却套管，所述冷却套管进一步包括冷却管，冷却液通过所述冷却管并且所述冷却管包围所述电流管的一个或两个端部并与所述电流管的一个或两个端部热接触。

21.根据权利要求1所述的多极机器，其中所述电流管包括嵌入在所述电流管壁中的冷却通道，冷却液通过所述冷却通道。

22.根据权利要求1所述的多极机器，其中所述电流管包括压制在所述电流管壁中的轴向延伸的冷却通道，冷却液通过所述冷却通道。

23.根据权利要求20至22中任一项所述的多极机器，其中所述冷却液是润滑剂。

24.根据权利要求20至22中任一项所述的多极机器，其中所述冷却液是水。