一種筒式單氣隙外轉子無鐵芯電機的製作方法

2023-05-31 08:22:21

本發明涉及電機技術領域，具體地說，是涉及一種筒式單氣隙外轉子無鐵芯電機。

背景技術：

隨著世界範圍內能源的日益匱乏，能源的有效利用越來越得到重視，而發電機和電動機是當代能源設備發展的重中之重，節能環保是急需解決的關鍵問題。異步電機、勵磁同步電機是目前最通用的電機，他們都是雙鐵損耗，銅損耗，實際效率只有60-70%，能耗比較高。永磁同步電機比上兩款電機效率和節能方面稍好一些，但還是不理想，具有銅損和鐵損雙損耗，還有很大的永磁磁阻，表面上看來是永磁體與鐵芯結構會比較節能，但是定子和轉子之間產生的永磁磁阻又將節能電力給損耗掉了，更不用說實現直驅了。無鐵芯電機的發展是目前最節能的電機技術,它的結構只有銅損耗。無鐵芯電機和以上其他電機相比較效率很高，但是目前應用較少，關鍵問題是電機的冷卻問題無法解決,阻礙著無鐵芯電機的應用。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種筒式單氣隙外轉子無鐵芯電機，解決了現有無鐵芯電機冷卻的技術問題。

為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案予以實現：

一種筒式單氣隙外轉子無鐵芯電機，所述電機包括外轉子組件和內定子組件，所述外轉子組件包括位於電機殼體內的筒形磁軛和安裝於所述磁軛上的若干永磁體；所述內定子組件包括電機軸和筒形無鐵芯線圈，所述電機包括真空超導模塊，所述真空超導模塊包括繞制所述筒形無鐵芯線圈的空心導線和所述空心導線連接的聚熱包，所述空心導線和聚熱包內灌注有超導液。

如上所述的筒式單氣隙外轉子無鐵芯電機，所述電機包括安裝於所述電機軸上的冷卻水道，所述真空超導模塊與所述冷卻水道進行熱交換。

如上所述的筒式單氣隙外轉子無鐵芯電機，所述冷卻水道為筒形，所述冷卻水道內有水流通道，所述冷卻水道上連接有與所述水流通道連通的進水管和出水管。

如上所述的筒式單氣隙外轉子無鐵芯電機，所述電機軸具有中空腔體，所述冷卻水道套裝於所述電機軸的外壁上，所述電機軸上開設有通孔，所述進水管和出水管穿過所述通孔後通過所述中空腔體引出。

如上所述的筒式單氣隙外轉子無鐵芯電機，所述電機包括導熱盤，所述導熱盤與所述真空超導模塊和冷卻水道接觸。

如上所述的筒式單氣隙外轉子無鐵芯電機，所述電機軸具有中空腔體，所述冷卻水道位於所述電機軸的中空腔體內並安裝於所述電機軸的內壁上，所述進水管和出水管通過所述中空腔體引出。

如上所述的筒式單氣隙外轉子無鐵芯電機，所述電機包括導熱盤，所述導熱盤與所述真空超導模塊和電機軸接觸。

如上所述的筒式單氣隙外轉子無鐵芯電機，所述冷卻水道包括盤形部和筒形部，所述冷卻水道內有水流通道，所述冷卻水道上連接有與所述水流通道連通的進水管和出水管，所述筒形無鐵芯線圈位於所述冷卻水道的筒形部上，所述電機軸具有中空腔體，所述冷卻水道的盤形部套裝於所述電機軸的外壁上，所述電機軸上開設有通孔，所述進水管和出水管穿過所述通孔後通過所述中空腔體引出。

如上所述的筒式單氣隙外轉子無鐵芯電機，所述電機包括液冷系統，所述液冷系統包括冷卻水道、控制器、溫度傳感器、冷媒循環泵，冷媒循環管路和散熱器；所述冷媒循環管路與所述進水管和出水管相接，所述溫度傳感器用於檢測所述無鐵芯線圈的溫度並發送至所述控制器，所述控制器用於輸出控制信號至所述冷媒循環泵和散熱器。

如上所述的筒式單氣隙外轉子無鐵芯電機，所述磁軛上設置有若干與所述電機軸同軸的轉子導磁環，所述導磁環的軸向上設置有若干導磁條，所述轉子導磁環和導磁條形成若干網格，所述永磁體位於所述網格內，且所述永磁體的磁極在同一軸線上相同在周向上交替分布；所述內定子組件包括筒形非鐵導磁件，所述筒形非鐵導磁件上具有與所述磁軛上的轉子導磁環對應的定子導磁環，所述非鐵導磁件上設置有若干插條，所述無鐵芯線圈繞制在所述插條上，所述定子導磁環將所述無鐵芯線圈壓裝在所述插條內。

與現有技術相比，本發明的優點和積極效果是：本發明無鐵芯電機包括真空超導模塊，真空超導模塊包括繞制筒形無鐵芯線圈的空心導線和與空心導線連通的聚熱包，空心導線和聚熱包內灌注有超導液，電機在工作時，線圈通過電流產生的熱量直接通過超導液導給聚熱包，無鐵芯線圈的熱量瞬間傳遞給聚熱包,無鐵芯線圈的熱量只剩下很微小的熱量。因而，無鐵芯線圈的產生的熱量可被迅速降溫，散熱效率高，本發明的散熱方式能夠滿足無鐵芯線圈的散熱需求。

本發明電機大大縮小了體積,減少了重量,完全無磁阻、效率高、扭矩大、過載力強、體積小、重量輕。本發明與現有技術相比省去了100%的錫鋼片，省去了30-40%銅材，裝配無磁力幹擾。在機械應用上，可以省去了齒輪箱結構，完全實現直驅。本發明大大簡化了機械結構，電機的效率提高到98%以上。可用在航天、船舶、潛艇、工業設備、新能源汽車、風力發電、溫差發電等領域。

結合附圖閱讀本發明實施方式的詳細描述後，本發明的其他特點和優點將變得更加清楚。

附圖說明

圖1為本發明具體實施例1電機的剖視圖。

圖2為本發明具體實施例1電機的分解圖。

圖3為本發明具體實施例永磁體與磁軛部分的示意圖。

圖4為本發明具體實施例線圈與導熱盤分解示意圖。

圖5為本發明具體實施例線圈與非鐵導磁件部分的示意圖。

圖6為本發明具體實施例線圈與非鐵導磁件、定子導磁環部分的示意圖。

圖7為本發明具體實施例1冷卻水道的部分剖視圖。

圖8為本發明具體實施例真空超導模塊部分的示意圖。

圖9為本發明具體實施例液冷系統的原理圖。

圖10為本發明具體實施例冷卻水道內的水流方向示意圖。

圖11為本發明具體實施例2電機的剖視圖。

圖12為本發明具體實施例2電機的分解圖。

圖13為本發明具體實施例2冷卻水道的剖視圖。

圖14為本發明具體實施例3電機的剖視圖。

圖15為本發明具體實施例3冷卻水道內的水流方向示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細地描述。

實施例1

如圖1-2所示，本實施例提出了一種筒式單氣隙外轉子無鐵芯電機，本實施例以電機為輪轂電機為例進行說明，電機包括內定子組件和外轉子組件。

內定子組件包括電機軸101和依次套裝於電機軸101上的筒形冷卻水道102、筒形非鐵導磁件103和筒形無鐵芯線圈104。

外轉子組件包括電機殼體201、位於電機殼體201兩端的端蓋8、位於電機殼體201內的筒形磁軛202和安裝於磁軛202上的若干永磁體203。

電機殼體201與端蓋8固定連接，端蓋8和電機軸101之間通過軸承3連接，電機殼體201和電機軸101之間通過軸承3實現相對轉動。電機殼體201、筒形磁軛202和永磁體203同步繞電機軸101轉動，也即永磁體203繞無鐵芯線圈104轉動時，無鐵芯線圈104做切割磁感線運動產生電流，此時，電機為發電機。當無鐵芯線圈104通電時，無鐵芯線圈104產生的電磁場與永磁體203發生相互作用力，驅動電機軸101與電機殼體201發生相對轉動，此時，電機為電動機。電機包括旋轉變壓器9，旋轉變壓器9的轉軸固定連接在端蓋8上，用於檢測轉子組件和定子組件相對應的角度。

電機殼體201為金屬材質，有屏蔽磁場的作用，防止磁場外漏。

本實施例的電機軸101安裝於汽車懸掛系統上，電機殼體201安裝於汽車輪轂上41上，輪轂41上安裝有輪胎42。電機包括剎車裝置10和安裝連接板11，電機通過安裝連接板11安裝至汽車懸掛系統上。

為了實現電機的冷卻，本實施例的電機包括真空超導模塊，如圖8所示，真空超導模塊包括繞制筒形無鐵芯線圈的空心導線51和與空心導線51連接的聚熱包52，空心導線51包括金屬芯體和包裹金屬芯體的絕緣層，金屬芯體為空心結構，空心導線51的空心結構和聚熱包52內灌注有超導液。具體的，空心導線51的金屬芯體採用空心結構，金屬芯體的空心結構連接有聚熱包52，金屬芯體經模具壓型，抽出真空，注入超導液後把聚熱口封好，再經絕緣工藝處理形成絕緣層後裝入筒形非鐵導磁件103，然後澆鑄高分子材料，高分子材料優選納米材料，聚熱包52位於筒形無鐵芯線圈的一端或兩端。當電機在運行時，空心導線51有大電流通過時，產生的熱量就會瞬間膨脹反應，熱量導給聚熱包52。

為了對聚熱包52的熱量進行快速散熱，本實施例的電機包括安裝於電機軸上的冷卻水道102，真空超導模塊與冷卻水道102進行熱交換。具體的，如圖7、10所示，冷卻水道102為筒形，冷卻水道102內有s型的水流通道，冷卻水道102上連接有與水流通道連通的進水管61和出水管62。如圖10所示，為冷卻水道102內的水流方向示意圖。

如圖1所示，本實施例的電機軸101具有中空腔體105，冷卻水道102套裝於電機軸101的外壁上，電機軸101上開設有通孔106，進水管61和出水管62穿過通孔106後通過中空腔體105引出。

為了進一步加快熱量傳遞，電機包括導熱盤7，導熱盤7套裝在電機軸101上，導熱盤7與真空超導模塊和冷卻水道102接觸。優選的，導熱盤7包覆聚熱包52，以加快與聚熱包52的熱量傳遞。因而，聚熱包52的熱量通過導熱盤7迅速傳遞至冷卻水道102上，由冷卻水道102內的冷卻液循環導出。

如圖9所示，本實施例的電機包括液冷系統，液冷系統包括冷卻水道102、控制器、溫度傳感器、冷媒循環泵，冷媒循環管路和散熱器；冷卻水道102位於電機內，冷媒循環管路與冷卻水道102的進水管61和出水管62相接，冷媒循環泵和散熱器位於冷媒循環管路上。溫度傳感器用於檢測無鐵芯線圈的溫度並發送至控制器，控制器用於輸出控制信號至冷媒循環泵和散熱器。在溫度傳感器檢測無鐵芯線圈的溫度高於設定溫度時，控制器控制冷媒循環泵和散熱器工作，以快速降低無鐵芯線圈的溫度，在溫度傳感器檢測無鐵芯線圈的溫度低於設定溫度時，說明無鐵芯線圈產生的熱量不多，此時，控制器控制冷媒循環泵和散熱器停止工作。優選在冷媒循環管路上連接有用於儲藏冷媒的儲液罐。

為了提高電機效率，本實施例對永磁體203的安裝方式和無鐵芯線圈104的安裝方式進行了改進：

如圖3所示，磁軛202呈筒狀，採用高導磁金屬材料加工而成，磁軛202的內表面設置有多個轉子導磁環定位槽，在磁軛202上設置有若干與電機軸101同軸的轉子導磁環204，轉子導磁環204安裝於導磁環定位槽，轉子導磁環204的材質為金屬。轉子導磁環204的軸向上設置有若干導磁條205，轉子導磁環204和導磁條205形成若干網格，磁鐵永磁體203位於網格內，且永磁體203的磁極在同一軸線上相同，即在同一軸線上均為n極或均為s極，在周向上n極和s極交替分布。

轉子導磁環204、導磁條205和永磁體203貼裝於磁軛202上，具體的，轉子導磁環204、導磁條205和永磁體203可通過高分子材料粘貼於磁軛202上，導磁條205壓裝在永磁體203和轉子導磁環204上，導磁條205通過螺釘固定在磁軛202上。轉子導磁環204、導磁條205和永磁體203的安裝方式為：先在磁軛202上安裝一個轉子導磁環204，再貼裝一圈與轉子導磁環204鄰接的永磁體203，在貼裝一個與永磁體203鄰接的導磁環204，在安裝導磁條205，將永磁體203和導磁環204壓裝在磁軛202上；再繼續貼裝永磁體203、導磁環204、導磁條205，依次循環，安裝完成後，再用高分子材料澆鑄。外轉子組件由磁軛202、轉子導磁環204、永磁體203、導磁條205和高分子材料組成。

相鄰永磁體203之間被轉子導磁環204和導磁條205隔開，具體的，n極和s極之間通過導磁條205隔開，n極和n極之間或者s極和s極之間通過導磁環204隔開。相鄰的同性n極和n極永磁體203之間，相鄰的同性s極和s極之間都有轉子導磁環204相隔，這樣，既能使n極和n極，s極和s極之間的排斥變為吸合，又能夠將排斥的磁場導岀，導出後提高了永磁體204徑向磁通量。相鄰的異性n極和s極之間，設有導磁條205，導磁條205使n極和s極之間的極性清楚分隔又起到固定作用，轉子導磁環204和導磁條205形成導磁網格。

本實施例外轉子組件的導磁網格，使每組磁極的磁力線形成焦點，對準並穿透內定子組件的導磁網格，成為組合式獨立永磁高導磁轉子。使每組磁極的磁通量比其他永磁電機的轉子磁通量提高很多，極大降低了材料成本。

轉子導磁環204採用金屬材質，導磁條205採用合金材質，永磁體203為稀土釹鐵硼、釤鈷永磁或鋁鎳鈷永磁體，永磁體203可以為長方體或長瓦形形狀或梯形。

如圖4、5、6所示，內定子組件包括筒形非鐵導磁件103，筒形非鐵導磁件103上具有與磁軛202上的轉子導磁環204對應的定子導磁環107，定子導磁環107的數量和位置與轉子導磁環204的數量和位置相對應。定子導磁環107為非鐵合金材料。具體的，在非鐵導磁件上103設置有若干插條1031，空心導線51繞制在插條1031內並澆鑄高分子材料後形成無鐵芯線圈203，定子導磁環107將無鐵芯線圈104壓裝在插條1031內。

內定子組件是由非鐵導磁件103、真空超導空心導線51、定子導磁環107，高分子材料等組成。每個磁極由定子導磁環107、空心導線51相連形成，稱為導磁網格。外轉子組件的導磁網格的每格與定子組件導磁網格的每格具有準確的定位。外轉子組件的每組導磁網格的磁極n、s極之間與內定子組件導磁網格在徑向上相對應的s、n極的關係是很準確的。發電時，轉子轉動與定子切割磁力線，定子繞組產生感應電動勢輸出感應電流。電動時，通過旋轉變壓器感應到轉子導磁網格與定子導磁網格中的每對磁極的準確位置發給指令給電機控制器，從而控制轉子旋轉。

本實施例的導磁網格，進一步優化了磁場結構，用永磁體重量可大大減少，在同功率下與其他永磁體結構的無鐵芯電機相比，永磁體用量只有一半，極大的降低了電機的製造成本。

本實施例定子組件沒有採用鐵質材料，在定子組件上沒有永磁體103可以直接吸合的位置，磁力線穿透定子導磁網格，使通過定子上的導磁網格產生更大的磁場，磁阻為零，沒有多餘的損耗，只有定子繞組本身的銅損而已，能夠發揮更大的做功效率。

實施例2

如圖11-13所示，本實施例提出了一種筒式單氣隙外轉子無鐵芯電機，電機包括內定子組件和外轉子組件。

內定子組件包括電機軸101和依次套裝於電機軸101上的筒形非鐵導磁件103和筒形無鐵芯線圈104。

外轉子組件包括電機殼體201、位於電機殼體201兩端的端蓋8、位於電機殼體201內的筒形磁軛202和安裝於磁軛202上的若干永磁體203。

電機殼體201與端蓋8固定連接，端蓋8和電機軸101之間通過軸承3連接，電機殼體201和電機軸101之間通過軸承3實現相對轉動。電機殼體201、筒形磁軛202和永磁體203同步繞電機軸101轉動，也即永磁體203繞無鐵芯線圈104轉動時，無鐵芯線圈104做切割磁感線運動產生電流，此時，電機為發電機。當無鐵芯線圈104通電時，定子組件產生的電磁場與轉子組件的永磁體203發生相互作用力，驅動電機軸101與電機殼體201發生相對轉動，此時，電機為電動機。電機包括旋轉變壓器9，旋轉變壓器9的轉軸固定連接在端蓋8上，用於檢測轉子組件和定子組件相對應的角度。

電機殼體201為金屬材質，有屏蔽磁場的作用，防止磁場外漏。

為了實現電機的冷卻，本實施例的電機包括真空超導模塊，如圖8所示，真空超導模塊的具體結構與實施例一相同，此處不再贅述。

為了對聚熱包52的熱量進行快速散熱，本實施例的電機包括安裝於電機軸101上的導熱盤7和冷卻水道102，電機軸101具有中空腔體105，導熱盤7套裝在電機軸101的外壁上，導熱盤7與真空超導模塊和電機軸101接觸，冷卻水道102位於電機軸101的中空腔體內並安裝於電機軸101的內壁上，冷卻水道102的進水管61和出水管62通過中空腔體105引出。真空超導模塊通過導熱盤7與冷卻水道102進行熱交換。具體的，如圖13、10所示，冷卻水道102為筒形，冷卻水道102內有s型的水流通道，冷卻水道102上連接有與水流通道連通的進水管61和出水管62。優選的，導熱盤7包覆聚熱包52，以加快與聚熱包52的熱量傳遞。因而，聚熱包52的熱量通過導熱盤7迅速傳遞至電機軸101，電機軸101再將熱量傳遞至冷卻水道102上，由冷卻水道102內的冷卻液循環導出。

另外，本實施例的液冷系統如圖9所示，外轉子組件如圖3所示，內定子組件如圖4、5、6所示，與實施例一相同，此處不再贅述。

實施例3

如圖14-15所示，本實施例提出了一種筒式單氣隙外轉子無鐵芯電機，電機包括內定子組件和外轉子組件。

內定子組件包括電機軸101、外層筒形無鐵芯線圈1041和內層筒形無鐵芯線圈1042和套裝於電機軸101上的冷卻水道。

外轉子組件包括電機殼體201、位於電機殼體201兩端的端蓋8、位於電機殼體201內的與端蓋8一體成型的外層筒形磁軛2021和內層筒形磁軛2022，外層筒形磁軛2021上安裝有若干外層永磁體2031，內層筒形磁軛2022上安裝有若干內層永磁體2032。

電機殼體201與端蓋8固定連接，端蓋8和電機軸101之間通過軸承3連接，電機殼體201和電機軸101之間通過軸承3實現相對轉動。電機殼體201、外層筒形磁軛2021、內層筒形磁軛2022、外層永磁體2031和內層永磁體2032同步繞電機軸101轉動，也即永磁體繞無鐵芯線圈轉動時，無鐵芯線圈做切割磁感線運動產生電流，此時，電機為發電機。當無鐵芯線圈通電時，無鐵芯線圈產生的電磁場與永磁體發生相互作用力，驅動電機軸101與電機殼體201發生相對轉動，此時，電機為電動機。電機包括旋轉變壓器9，旋轉變壓器9的轉軸固定連接在端蓋8上，用於檢測轉子組件的轉動角度。

電機殼體201為金屬材質，有屏蔽磁場的作用，防止磁場外漏。

為了實現電機的冷卻，本實施例的電機包括真空超導模塊，如圖8所示，真空超導模塊的具體結構與實施例一相同，此處不再贅述。

為了對聚熱包52的熱量進行快速散熱，冷卻水道包括盤形部1021和筒形部1022，盤形部1021套裝於電機軸101的外壁上，筒形部1022位於盤形部1021的盤面上，筒形部1022的外壁上安裝有外層筒形無鐵芯線圈1041，筒形部1022的內壁上安裝有內層筒形無鐵芯線圈1042。筒形部1022、外層筒形無鐵芯線圈1041和內層筒形無鐵芯線圈1042均位於外層筒形磁軛2021和內層筒形磁軛2022形成的空間內，其中，外層筒形無鐵芯線圈1041與外層永磁體2031相對，內層筒形無鐵芯線圈1042與內層永磁體2032相對。

冷卻水道的筒形部1022內有s型的水流通道，冷卻水道上連接有與水流通道連通的進水管61和出水管62，電機軸101具有中空腔體105，電機軸101上開設有通孔106，進水管61和出水管62穿過通孔106後通過中空腔體105引出。聚熱包52直接與冷卻水道接觸，聚熱包52的熱量迅速傳遞至冷卻水道，由冷卻水道102內的冷卻液循環導出。

另外，本實施例的液冷系統如圖9所示，實現方式與實施例一相同，此處不再贅述。

本實施例永磁體203的安裝方式均包括轉子導磁環和導磁條，無鐵芯線圈的安裝方式均通過定子導磁環安裝至筒形部1022上，具體實現方式與實施例一類似，此處不再贅述。

最後應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。