CN101888147A - 用于轴向间隙式旋转机的冷却机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种定子，它具有驱散内部产生的热量的机构且适于用在高功率的轴向间隙式旋转机中。该定子包括线圈保持件和固定于该线圈保持件上的多个线圈，其中该线圈保持件包含根据ASTM E1530测量的导热率不小于5W/mK和根据ASTM E345测量的导电率不大于1×105S/m的材料。该定子优选包括设置在该线圈保持件周边的放热片，该放热片具有不小于150W/mK的导热率，并且具有凹凸表面，从而将其表面积增大3倍以上。

Description

用于轴向间隙式旋转机的冷却机构
技术领域
本发明涉及在电动机、发电机等中使用的同步式永磁体旋转机，更具体地，涉及转子和定子沿旋转轴方向布置成使得各转子隔着其间的定子相对设置的轴向间隙式旋转机。
背景技术
从结构的观点看，永磁体旋转机分为径向间隙式和轴向间隙式。径向间隙式永磁体旋转机包括转子和定子，在转子周围设置多于一个的永磁体，永磁体的磁极沿径向方向布置，定子设置成面对永磁体。通常，定子具有下述结构：线圈缠绕于在面对转子的面上具有多个齿的铁芯上。通过使用铁芯，来自转子磁极的磁通量能够有效地与线圈相交，因而对于电动机而言可以产生大的转矩，对于发电机而言可以产生大的电压。然而，铁芯的使用可能会导致齿槽转矩和由于铁芯磁滞损耗所致的损耗转矩，从而增大起动转矩。如果具有大的起动转矩的旋转机应用于例如风力发电机中时，微风将不能使其旋转，因而不能产生电力。
这一问题可以通过去除铁芯而解决。然而，没有铁芯会降低磁效率，因而使用径向间隙式旋转机无法获得大的输出。因此，提出了如图8所示的轴向间隙式旋转机100。
在图8中，圆盘状磁性部件(转子磁轭)103固定于旋转轴102上。在各转子磁轭103的表面上，同心布置两个以上永磁体104，使其磁化方向与旋转轴102平行，并且使相邻永磁体的极性相反。上述部件的组合称作转子105。转子磁轭103设置在间隔体106的每一侧上，因而转子磁轭103上具有永磁体的表面彼此相对。虽然可以将永磁体104仅设置在一个转子磁轭103上，但是在转子磁轭103的两侧上均设置永磁体时可以增大磁效率。在转子磁轭103之间插入有定子107。定子107包括线圈108和线圈保持件109。当沿旋转轴102的轴向方向看时，同心设置的线圈108所限定的圆周与转子磁轭103上的永磁体104所限定的圆周具有相同的直径。每个线圈108都经由线圈保持件109固定到壳体110上。壳体110容纳上述转子105和上述定子107。用于可转动地支撑旋转轴102的轴承111设置在壳体110与旋转轴102之间。这使得相对的永磁体104与旋转轴102一体旋转，从而使交替磁场在线圈108内相交。
在上述结构中，在定子中没有插入铁芯的情况下，通过增大磁极面积能够保证较高的输出。由于即使使用Nd-Fe-B系烧结磁体作为强磁体也不会造成铁芯的磁饱和问题，因而可以充分利用其性能，并且能够提供高功率的旋转机。
如图9所示，通常通过用环氧树脂112浸渍而由线圈保持件109保持定子线圈108。作为保持件109的材料，一般使用胶木(Bakelite)(参见，例如，JP 2005-110372A)。为实现较高的输出，需要流过大电流。这里的问题是有效驱散大电流流过时铜线所产生的热量。然而，上述环氧树脂和胶木具有低的导热率。因此，它们不能有效驱散铜线所产生的热量(参考：环氧树脂的导热率为21W/mK，胶木的导热率为0.38W/mK)。由于缺少用于线圈保持件的冷却机构，所以无法抑制热量产生，因而在轴向间隙式旋转机作为发电机连续工作时铜线会破断。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种高功率的轴向间隙式旋转机，其具有驱散内部产生的热量的有效冷却机构。
为解决上述问题，本发明人进行了深入研究，开发了一种具有驱散内部产生的热量的有效冷却机构且适于用在轴向间隙式旋转机中的定子，还开发了一种高功率的轴向间隙式旋转机。
本发明的一个方面可以是一种用在轴向间隙式旋转机中的定子，所述定子包括线圈保持件和固定于所述线圈保持件上的多个线圈，其中所述线圈保持件包含根据ASTM E1530测量的导热率不小于5W/mK和根据ASTM E345测量的导电率不大于1×105S/m的材料。
本发明的另一方面可以是一种轴向间隙式旋转机，其结构包括：旋转轴；转子，其沿所述旋转轴的轴向方向布置且可与所述旋转轴一体旋转，每个转子包括旋转盘和设置在所述旋转盘的至少一个表面上的永磁体；定子，其设置为与所述旋转轴分离并且与所述转子间隔开，使得所述定子与所述转子的其上设有磁体的主表面相对；以及冷却风扇，其设置在每个转子的周边并相对于每个相应旋转盘的盘面倾斜，用于将风吹到所述放热片。
本发明的另一方面是一种轴向间隙式旋转机，其包括可绕圆盘的中心轴旋转的转子，每个转子包括磁性部件和附于其上的至少一个永磁体；以及定子线圈，当沿旋转轴的方向看时所述定子线圈设置成与所述永磁体相对，其中线圈保持件的材料具有导热率不小于5W/mK和导电率不大于1×105S/m的物理特性。
本发明的另一方面是一种轴向间隙式旋转机，其还包括设置在所述线圈保持件周边的放热片，所述放热片具有导热率不小于150W/mK的物理特性，并且具有凹凸表面，从而将其表面积增大3倍以上。
如上所述，本发明的定子和本发明的轴向间隙式旋转机的结构能够有效驱散定子中所产生的热量，并且工业实用性极高。
附图说明
图1是本发明轴向间隙式旋转机的一种实施方案的截面图；
图2是本发明定子的一种实施方案的立体图；
图3是部分地放大图2中的定子的平面图；
图4是适合与本发明的定子组合使用的转子的立体图；
图5是示出由箭头示意性指示的产生冷却效果的方向的概略图；
图6是示出本发明的定子和转子的组合方式的示意图；
图7是示出线圈保持件的导热率与线圈温度之间的相关性的曲线图；
图8是传统轴向间隙式旋转机的一种实施方案的截面图；以及
图9是部分地放大传统定子保持件的一种实施方案的平面图。
具体实施方式
下面参照附图进一步详细说明本发明。根据图1所示的本发明旋转机的一种实施方案，圆盘状磁性部件(转子磁轭)3固定于旋转轴2上。在转子磁轭3的表面上，同心布置带有期望形状的两个以上永磁体4，使其磁化方向与旋转轴2平行，并且使相邻的永磁体可以具有相反极性。上述部件的组合称作转子5。转子磁轭3设置在间隔体6的每一侧上，因而转子磁轭3上具有永磁体的表面彼此相对。在转子磁轭3之间插入有定子7。定子7包括线圈8和线圈保持件9。当沿旋转轴2的轴向方向看时，在线圈保持件9处同心设置的线圈8所限定的圆周与转子磁轭3上的永磁体4所限定的圆周具有相同的直径。此外，线圈8通过设在线圈保持件9周边的放热片12固定于壳体10上。壳体10容纳上述转子5和定子7。用于可转动地支撑旋转轴2的轴承11设置在壳体10与旋转轴2之间。这使得相对的永磁体4与旋转轴2一体旋转，从而使交替磁场在线圈8内相交。
图1所示的本发明实施方案与图8所示的传统实施例的不同之处在于，线圈保持件9使用具有以下物理特性的材料：导热率不小于5W/mK和导电率不大于1×105S/m(参见图3)。不大于1×105S/m的导电率值约为铁的1/100。
将导热率设定成上述那样高的原因是为了有效地驱散线圈所产生的热量。稍后在实施例中将说明将导热率设定成不小于5W/mK范围的原因。此外，将导电率设定成上述那样低的原因是：对于本发明的轴向间隙式而言，由于贯通线圈保持件9的交替磁场频繁地改变其磁性状态，因而较高的导电率往往会引起涡电流的流动，从而增大发电机的损失。为避免这种情况，期望形成由涡电流难以流动的低导电率材料制成的线圈保持件9。
具有高导热率和低导电率的材料可以是，但不限于，含有无机矿物粒子的热塑性树脂。具体地，热塑性树脂可以包括：液晶聚合物、聚酰胺、聚丙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚乙烯、丙烯酸树脂等。此外，无机矿物粒子可以由氧化铝、氧化镁、氮化铝、氮化硼、碳化硼、石墨等形成。可以控制无机矿物粒子的含量，以得到期望的导热率，但是按每100质量份的热塑性树脂计，无机矿物粒子的量优选为5～500质量份。热塑性树脂可以包含诸如溶剂和增塑剂等传统添加剂。
例如，通过将线圈置于模具中并使热塑性树脂成型和固化成期望形状，来形成线圈保持件9。
另外，如图2所示，本发明的定子优选包括设置在线圈保持件9外周的放热片12。放热片12优选具有不小于150W/mK的导热率，更优选具有不小于200W/mK的导热率。此外，放热片12上具有凹凸面，因而放热片12的表面积优选比线圈保持件的主表面的表面积大3倍以上，更优选比主表面的表面积大3～8倍。具有良好导热性的材料可以是铝、金、银、铜、它们的合金等。例如，可以通过溅射、喷洒或其他处理形成放热片12表面上的形状结构特征。
上述放热片12和线圈保持件9可以通过粘合、螺纹连接等连接起来。
另一方面，如图4所示，转子5在转子磁轭3的外周处优选包括用于冷却放热片的冷却风扇13。冷却风扇13的材料可以是通过对诸如S15C、S45C等低碳钢进行加工而制造的那些材料，或者可以是通过冲切诸如SPCC等板材料，然后使其弯曲或焊接连接而制造的那些材料。转子磁轭3和冷却风扇13可以通过粘合、螺纹连接等连接起来。
图5示出产生冷却效果的方向。虚线箭头表示放热方向，实线箭头表示冷却方向。由于传统线圈保持件9的导热性很差，因此不能有效地驱散铜线所产生的热量，这样温度会上升到线圈8可能破断的程度。相反地，本发明的线圈保持件9具有良好的导热性，这是因为它具有由所含的无机矿物粒子介导的热传导机制。因此，通过线圈保持件9能够沿着如虚线箭头所示的朝向间隙的方向驱散线圈8所产生的热量。此外，转子的旋转使冷却风扇沿实线箭头所示的方向吹风，由此定子的放热片被冷却。通过具有良好导热性的线圈保持件将这种冷却效果施加到铜线上，从而能够提高冷却效果。
图6示出上述转子5和上述定子7的组合的立体图。定子7设置在由转子5之间的间隔体6所形成的间隙中。各转子5包括相对于转子磁轭3的表面以预定倾斜度布置的冷却风扇13，从而可以从转子5未面对定子7的那一侧将风吹到放热片12。
本发明的轴向间隙式旋转机不限于包括两个转子和一个定子的结构，相反可以是具有包括n+1个转子和n个定子的多级结构。
实施例
下面结合实施例详细说明本发明。尽管说明了Nd-Fe-B系永磁体，但本发明不限于此。
首先，通过以下步骤制造永磁体。通过在真空熔炉中熔解铸造纯度均为99.7重量％的Nd、Fe、Co和M(M为Al、Si、Cu)以及纯度为99.5重量％的B(硼)来制造Nd2Fe14B系合金锭。通过鄂式粉碎机将得到的锭粗粉碎，并在氮气流中进一步进行喷射研磨粉碎，从而得到平均粒径为3.5μm的细粉末。将得到的细粉末填充入模具中，并在垂直磁场压12kG的磁场中在1.0t/cm2的成型压力下成型。在氩气中，将得到的坯体在1090℃下烧结1小时，然后在580℃下热处理1小时。热处理之后的烧结体的形状类似长方体块。通过磨石对该块体进行研磨加工，获得D形的永磁体。得到的永磁体的特性为：Br：13.0kG，iHc：22kOe，(BH)max：40MGOe。
比较例
比较例是图8所示的传统示例。电动机100构造成具有16个磁极和12个线圈。转子磁轭103是由S15C制成的外径为200mm和厚度为5mm的圆盘。永磁体由上述Nd-Fe-B系磁体制成，宽度为20mm，长度为36mm，磁化方向的厚度为4mm。将16个磁体104设置在转子磁轭103的表面上，使磁极面交替地为N极和S极，并通过环氧类粘合剂粘合。各磁体隔着间隙与反向磁极的磁体相对。间隙的宽度为8mm，并且定子107设置在该间隙中。定子107的线圈108是12个各自缠绕30圈的线圈。如图9所示，这些线圈108位于胶木制成的线圈保持件109(导热率为0.38W/mK，导电率为0.25×10-6S/m)中，并浸渍在环氧树脂112中。线圈是三相连接的：每相由四个线圈串联连接，并且这些线圈以星形连接(Y-connection)。该轴向间隙式旋转机的转子以3600rpm的转速旋转，并被用作发电机。当在30A电流的流量下带有负载工作时，线圈的温度为150℃。随着旋转机连续工作，线圈的温度会到达铜线的搪瓷涂层破坏的温度(155℃)，并且线圈破断。
实施例1
图1示出实施例1中使用的轴向间隙式旋转机。其材料和尺寸与比较例的相似，不同之处在于，线圈保持件9的材料有所改变，增加了放热片12和冷却风扇13，并且壳体10沿径向方向延伸。
线圈保持件9(导热率为18W/mK，导电率为0.12×10-13S/m)由含有氧化铝构成的无机矿物粒子的热塑性树脂(液晶聚合物)制成。如图2所示，浸渍并形成线圈8。放热片12由铝(导热率为236W/mK)制成，并且在其表面上形成将其表面积增大3倍的形状结构特征，因而将来自冷却风扇13的冷却效果有效地应用到线圈保持件9上。冷却风扇13是通过冲切、然后使其弯曲或焊接连接而制造的那些。与比较例类似，转子以3600rpm的转速旋转，并被用作发电机。当在30A电流的流量下带有负载工作时，线圈的温度受到抑制而不会超过80℃。在进一步连续工作期间线圈不会破断。
实施例2
图2中的线圈保持件9的材料有所改变，并进行与上述实施例1相同的测试。测试条件与测试实施例1时的条件相似，不同之处在于，线圈保持件9的材料改变。通过该测试，得到线圈保持件9的导热率与线圈温度之间的关系。测试结果如图7和表1所示。请注意，由于没有导热率为40W/mK(导电率：1×105S/m)的适宜材料，因而测试结果值不是观察结果。使用利用有限元方法的传热分析得到的值，并补充。
表1
  线圈保持件的导热率(W/mK)   0.1   1   2.5   5   10   18   40
  线圈温度(℃)   158   128   100   85   81   80   78
这些结果表明，当导热率不小于5W/mK时线圈温度增加较小，即，在导热率不小于5W/mK的范围内能够保证良好的放热性。
实施例3
对实施例3进行与实施例1相同的测试，不同之处在于，放热片的材料变成铁，并且放热片形成为其表面积是线圈保持件的表面积的4倍大。请注意，由于没有导热率为20、180和400W/mK(导电率：1×105S/m)的适宜材料，因而测试结果值不是观察结果。使用利用有限元方法的传热分析得到的值。
测试条件与测试实施例1时的条件相似，不同之处在于，放热片12的材料改变。通过该测试，得到放热片的导热率与线圈温度之间的关系。测试结果如表2所示。
表2
  放热片的导热率(W/mK)   20   80(铁)   180   236   400
  线圈温度(℃)   107   88   81   80   78
这些结果表明，当导热率不小于150W/mK时线圈温度增加较小，即，在导热率不小于150W/mK的范围内能够保证良好的放热性。
实施例4
图2所示的线圈保持件的材料变成铝(导电率为3.69×107S/m)，并进行与实施例1相同的测试。测试条件与测试实施例1时的条件相似，不同之处在于，线圈保持件的材料改变。对于测试结果，在通过铝的涡电流影响下，发电效率从实施例1中得到的81％降低至实施例3中的70％。根据利用积分元方法的磁场分析进行的计算，实施例1中涡电流造成的损失为约0W，而实施例4中涡电流造成的损失为800W以上。当通过利用导电率值1×105S/m的分析进行计算时，算出的损失约为几瓦(W)。该计算结果表明，在线圈保持件的导电率不大于1×105S/m的范围内不会对发电效率产生不利影响。

Claims (3)

1.一种用在轴向间隙式旋转机中的定子，所述定子包括线圈保持件和固定于所述线圈保持件上的线圈，其中所述线圈保持件包含根据ASTM E1530测量的导热率不小于5W/mK和根据ASTM E345测量的导电率不大于1×105S/m的材料。
2.根据权利要求1所述的用在轴向间隙式永磁体旋转机中的定子，还包括：设置在所述线圈保持件周边的放热片，所述放热片具有不小于150W/mK的导热率，并且具有凹凸表面，使得所述放热片的表面积比所述线圈保持件的主表面的表面积大3倍以上。
3.一种轴向间隙式旋转机，其包括：
旋转轴；
转子，其沿所述旋转轴的轴向方向布置且可与所述旋转轴一体旋转，每个转子包括旋转盘和设置在所述旋转盘的至少一个表面上的永磁体；
如权利要求2所述的定子，其设置为与所述旋转轴分离并且与所述转子间隔开，使得所述定子的主表面与所述转子的其上设有磁体的主表面相对；以及
冷却风扇，其设置在每个转子的周边，用于将风吹到所述放热片。
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