CN107276271A - 一种筒式单气隙内转子无铁芯电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种筒式单气隙内转子无铁芯电机，包括内转子组件和外定子组件，内转子组件包括电机轴、套装于电机轴上的筒形磁轭和安装于磁轭上的若干永磁体；外定子组件包括电机壳体和位于电机壳体内的筒形无铁芯线圈；电机包括真空超导模块，真空超导模块包括绕制筒形无铁芯线圈的空心导线和空心导线连接的聚热包，空心导线和聚热包内灌注有超导液。电机在工作时，线圈通过电流产生的热量直接通过超导液导给聚热包，无铁芯线圈的热量瞬间传递给聚热包,无铁芯线圈的热量只剩下很微小的热量。因而，无铁芯线圈的产生的热量可被迅速降温，散热效率高，本发明的散热方式能够满足无铁芯线圈的散热需求。

Description

一种筒式单气隙内转子无铁芯电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体地说，是涉及一种筒式单气隙内转子无铁芯电机。

背景技术

随着世界范围内能源的日益匮乏，能源的有效利用越来越得到重视，而发电机和电动机是当代能源设备发展的重中之重，节能环保是急需解决的关键问题。异步电机、励磁同步电机是目前最通用的电机，他们都是双铁损耗，铜损耗，实际效率只有60-70%，能耗比较高。永磁同步电机比上两款电机效率和节能方面稍好一些，但还是不理想，具有铜损和铁损双损耗，还有很大的永磁磁阻，表面上看来是永磁体与铁芯结构会比较节能，但是定子和转子之间产生的永磁磁阻又将节能电力给损耗掉了，更不用说实现直驱了。无铁芯电机的发展是目前最节能的电机技术,它的结构只有铜损耗。无铁芯电机和以上其他电机相比较效率很高，但是目前应用较少，关键问题是电机的冷却问题无法解决,阻碍着无铁芯电机的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种筒式单气隙内转子无铁芯电机，解决了现有无铁芯电机冷却的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种筒式单气隙内转子无铁芯电机，所述电机包括内转子组件和外定子组件，所述内转子组件包括电机轴、套装于所述电机轴上的筒形磁轭和安装于所述磁轭上的若干永磁体；所述外定子组件包括电机壳体和位于所述电机壳体内的筒形无铁芯线圈；所述电机包括真空超导模块，所述真空超导模块包括绕制所述筒形无铁芯线圈的空心导线和所述空心导线连接的聚热包，所述空心导线和聚热包内灌注有超导液。

如上所述的筒式单气隙内转子无铁芯电机，所述电机壳体内设置有水流通道，所述真空超导模块与所述电机壳体进行热交换。

如上所述的筒式单气隙内转子无铁芯电机，所述电机包括导热盘，所述导热盘与所述真空超导模块和电机壳体接触。

如上所述的筒式单气隙内转子无铁芯电机，所述电机包括端盖，所述端盖内设置有Ω型水流通道，所述真空超导模块与所述端盖进行热交换。

如上所述的筒式单气隙内转子无铁芯电机，所述端盖内的Ω型水流通道与所述电机壳体内的水流通道连通。

如上所述的筒式单气隙内转子无铁芯电机，所述电机包括液冷系统，所述液冷系统包括水流通道、控制器、温度传感器、冷媒循环泵、冷媒循环管路和散热器；所述冷媒循环管路与所述水流通道连通，所述温度传感器用于检测所述无铁芯线圈的温度并发送至所述控制器，所述控制器用于输出控制信号至所述冷媒循环泵和散热器。

如上所述的筒式单气隙内转子无铁芯电机，所述磁轭上设置有若干与所述电机轴同轴的转子导磁环，所述导磁环的轴向上设置有若干导磁条，所述转子导磁环和导磁条形成若干网格，所述永磁体位于所述网格内，且所述永磁体的磁极在同一轴线上相同在周向上交替分布；所述外定子组件包括筒形非铁导磁件，所述筒形非铁导磁件上具有与所述磁轭上的转子导磁环对应的定子导磁环，所述非铁导磁件上设置有若干插条，所述无铁芯线圈绕制在所述插条上，所述定子导磁环将所述无铁芯线圈压装在所述插条内。

如上所述的筒式单气隙内转子无铁芯电机，所述筒形非铁导磁件安装于所述电机壳体的内壁上。

如上所述的筒式单气隙内转子无铁芯电机，所述筒形非铁导磁件安装于所述端盖上；所述筒形非铁导磁件的内壁上安装有内层无铁芯线圈，所述内转子组件包括内层磁轭，所述内层磁轭上安装有内层永磁体；或者，所述筒形非铁导磁件的外壁上安装有外层无铁芯线圈，所述内转子组件包括外层磁轭，所述外层磁轭上安装有外层永磁体；或者，所述筒形非铁导磁件的内壁上安装有内层无铁芯线圈，所述筒形非铁导磁件的外壁上安装有外层无铁芯线圈，所述内转子组件包括内层磁轭，所述内层磁轭上安装有内层永磁体，所述内转子组件包括外层磁轭，所述外层磁轭上安装有外层永磁体。

如上所述的筒式单气隙内转子无铁芯电机，所述端盖内设置有Ω型水流通道，所述筒形非铁导磁件内设置有与所述Ω型水流通道连通的水流通道。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明无铁芯电机包括真空超导模块，真空超导模块包括绕制筒形无铁芯线圈的空心导线和与空心导线连通的聚热包，空心导线和聚热包内灌注有超导液，电机在工作时，线圈通过电流产生的热量直接通过超导液导给聚热包，无铁芯线圈的热量瞬间传递给聚热包,无铁芯线圈的热量只剩下很微小的热量。因而，无铁芯线圈的产生的热量可被迅速降温，散热效率高，本发明的散热方式能够满足无铁芯线圈的散热需求。

本发明电机大大缩小了体积,减少了重量,完全无磁阻、效率高、扭矩大、过载力强、体积小、重量轻。本发明与现有技术相比省去了100%的锡钢片，省去了30-40%铜材，装配无磁力干扰。在机械应用上，可以省去了齿轮箱结构，完全实现直驱。本发明大大简化了机械结构，电机的效率提高到98%以上。可用在航天、船舶、潜艇、工业设备、新能源汽车、风力发电、温差发电等领域。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1为本发明具体实施例1电机的剖视图。

图2为本发明具体实施例1电机的分解图。

图3为本发明具体实施例1电机壳的示意图。

图4为本发明具体实施例1永磁体与磁轭部分的示意图。

图5为本发明具体实施例1线圈与导热盘分解示意图。

图6为本发明具体实施例1水流通道内的水流方向示意图。

图7为本发明具体实施例真空超导模块部分的示意图。

图8为本发明具体实施例液冷系统的原理图。

图9为本发明具体实施例2电机的剖视图。

图10为本发明具体实施例2电机壳体和端盖的水流通道的示意图。

图11为本发明具体实施例2水流通道内水流方向的示意图。

图12为本发明具体实施例3电机的剖视图。

图13为本发明具体实施例3水流通道内水流方向的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。

实施例1

如图1-2所示，本实施例提出了一种筒式单气隙内转子无铁芯电机，电机包括外定子组件和内转子组件。

内转子组件包括电机轴101、套装于电机轴101上的筒形磁轭102和安装于筒形磁轭102上的若干永磁体103。

外定子组件包括电机壳体201、位于电机壳体201两端的端盖202、位于电机壳体201内的筒形非铁导磁件204和筒形无铁芯线圈203。其中，筒形非铁导磁件204安装于电机壳体201的内壁上，筒形无铁芯线圈203安装于筒形非铁导磁件204上。

电机壳体201与端盖202固定连接，端盖202和电机轴101之间通过轴承3连接，电机壳体201和电机轴101之间通过轴承3实现相对转动。电机壳体201、端盖202和无铁芯线圈203同步与电机轴101发生相对转动，也即永磁体103与无铁芯线圈203相对转动时，无铁芯线圈203做切割磁感线运动产生电流，此时，电机为发电机。当无铁芯线圈203通电时，无铁芯线圈203产生的电磁场与永磁体103发生相互作用力，驱动电机轴101与电机壳体201发生相对转动，此时，电机为电动机。电机包括旋转变压器9，旋转变压器9的转轴固定连接在电机轴101上，用于检测转子组件和定子组件相对应的角度。

电机壳体201为金属材质，有屏蔽磁场的作用，防止磁场外漏。

为了实现电机的冷却，本实施例的电机包括真空超导模块，如图7所示，真空超导模块包括绕制筒形无铁芯线圈的空心导线51和与空心导线51连接的聚热包52，空心导线51包括金属芯体和包裹金属芯体的绝缘层，金属芯体为空心结构，空心导线51的空心结构和聚热包52内灌注有超导液。具体的，空心导线51的金属芯体采用空心结构，金属芯体的空心结构连接有聚热包52，金属芯体经模具压型，抽出真空，注入超导液后把聚热口封好，再经绝缘工艺处理形成绝缘层后装入筒形非铁导磁件204，然后浇铸高分子材料，高分子材料优选纳米材料，聚热包52位于筒形无铁芯线圈的一端或两端。当电机在运行时，空心导线51有大电流通过时，产生的热量就会瞬间膨胀反应，热量导给聚热包52。

为了对聚热包52的热量进行快速散热，本实施例电机的电机壳体201内设置有S型水流通道，真空超导模块与电机壳体201进行热交换。具体的，如图2、3所示，电机壳体201内有S型的水流通道，电机壳体201上连接有与水流通道连通的进水管61和出水管62。如图6所示，为电机壳体201内的水流方向示意图。

为了进一步加快热量传递，电机包括导热盘7，导热盘7安装于在电机壳体201的内壁上，导热盘7与真空超导模块接触。优选的，如图5所示，导热盘7包覆聚热包52，以加快与聚热包52的热量传递。因而，聚热包52的热量通过导热盘7迅速传递至电机壳体201上，由电机壳体201内的冷却液循环导出。

如图8所示，本实施例的电机包括液冷系统，液冷系统包括位于电机壳体201内的水流通道、控制器、温度传感器、冷媒循环泵，冷媒循环管路和散热器；冷媒循环管路与电机壳体201的进水管61和出水管62相接，冷媒循环泵和散热器位于冷媒循环管路上。温度传感器用于检测无铁芯线圈的温度并发送至控制器，控制器用于输出控制信号至冷媒循环泵和散热器。在温度传感器检测无铁芯线圈的温度高于设定温度时，控制器控制冷媒循环泵和散热器工作，以快速降低无铁芯线圈的温度，在温度传感器检测无铁芯线圈的温度低于设定温度时，说明无铁芯线圈产生的热量不多，此时，控制器控制冷媒循环泵和散热器停止工作。优选在冷媒循环管路上连接有用于储藏冷媒的储液罐。

为了提高电机效率，本实施例对永磁体103的安装方式和无铁芯线圈203的安装方式进行了改进：

如图4所示，磁轭102呈筒状，采用高导磁金属材料加工而成，磁轭102的外表面设置有多个转子导磁环定位槽，在磁轭102上设置有若干与电机轴101同轴的转子导磁环104，转子导磁环104安装于导磁环定位槽，转子导磁环104的材质为金属。转子导磁环104的轴向上设置有若干导磁条105，转子导磁环104和导磁条105形成若干网格，磁铁永磁体103位于网格内，且永磁体103的磁极在同一轴线上相同，即在同一轴线上均为N极或均为S极，在周向上N极和S极交替分布。

转子导磁环104、导磁条105和永磁体103贴装于磁轭102上，具体的，转子导磁环104、导磁条105和永磁体103可通过高分子材料粘贴于磁轭102上，导磁条105压装在永磁体103和转子导磁环104上，导磁条105通过螺钉固定在磁轭102上。转子导磁环104、导磁条105和永磁体103的安装方式为：先在磁轭102上安装一个转子导磁环104，再贴装一圈与转子导磁环104邻接的永磁体103，在贴装一个与永磁体103邻接的转子导磁环104，在安装导磁条105，将永磁体103和转子导磁环104压装在磁轭102上；再继续贴装永磁体103、转子导磁环104、导磁条105，依次循环，安装完成后，再用高分子材料浇铸。内转子组件由磁轭102、转子导磁环104、永磁体103、导磁条105和高分子材料组成。

相邻永磁体103之间被转子导磁环104和导磁条105隔开，具体的，N极和S极之间通过导磁条105隔开，N极和N极之间或者S极和S极之间通过转子导磁环104隔开。相邻的同性N极和N极永磁体103之间，相邻的同性S极和S极之间都有转子导磁环104相隔，这样，既能使N极和N极，S极和S极之间的排斥变为吸合，又能够将排斥的磁场导岀，导出后提高了永磁体204径向磁通量。相邻的异性N极和S极之间，设有导磁条105，导磁条105使N极和S极之间的极性清楚分隔又起到固定作用，转子导磁环104和导磁条105形成导磁网格。

本实施例内转子组件的导磁网格，使每组磁极的磁力线形成焦点，对准并穿透外定子组件的导磁网格，成为组合式独立永磁高导磁转子。使每组磁极的磁通量比其他永磁电机的转子磁通量提高很多，极大降低了材料成本。

转子导磁环104采用金属材质，导磁条105采用合金材质，永磁体103为稀土钕铁硼、钐钴永磁或铝镍钴永磁体，永磁体103可以为长方体或长瓦形形状或梯形。

如图5所示，外定子组件包括筒形非铁导磁件204，筒形非铁导磁件204上具有与磁轭102上的转子导磁环104对应的定子导磁环205，定子导磁环205的数量和位置与转子导磁环104的数量和位置相对应。定子导磁环205为非铁合金材料。具体的，在非铁导磁件上204设置有若干插条2041，空心导线51绕制在插条2041内并浇铸高分子材料后形成无铁芯线圈203，定子导磁环205将无铁芯线圈203压装在插条2041内。

外定子组件是由非铁导磁件204、真空超导空心导线51、定子导磁环205，高分子材料等组成。每个磁极由定子导磁环205、空心导线51相连形成，称为导磁网格。内转子组件的导磁网格的每格与外定子组件导磁网格的每格具有准确的定位。内转子组件的每组导磁网格的磁极N、S极之间与外定子组件导磁网格在径向上相对应的S、N极的关系是很准确的。发电时，转子转动与定子切割磁力线，定子绕组产生感应电动势输出感应电流。电动时，通过旋转变压器感应到转子导磁网格与定子导磁网格中的每对磁极的准确位置发给指令给电机控制器，从而控制转子旋转。

本实施例的导磁网格，进一步优化了磁场结构，用永磁体重量可大大减少，在同功率下与其他永磁体结构的无铁芯电机相比，永磁体用量只有一半，极大的降低了电机的制造成本。

本实施例定子组件没有采用铁质材料，在定子组件上没有永磁体103可以直接吸合的位置，磁力线穿透定子导磁网格，使通过定子上的导磁网格产生更大的磁场，磁阻为零，没有多余的损耗，只有定子绕组本身的铜损而已，能够发挥更大的做功效率。

实施例2

如图9-11所示，本实施例提出了一种筒式单气隙内转子无铁芯电机，电机包括外定子组件和内转子组件。

内转子组件包括电机轴101、套装于电机轴101上的外层筒形磁轭1021、内层筒形磁轭1022，外层筒形磁轭1021的内壁上安装有若干外层永磁体1031，内层筒形磁轭1022的外壁上安装有若干内层永磁体1032。

外定子组件包括电机壳体201、位于电机壳体201两端的端盖202、位于电机壳体201内的与端盖202一体成型的筒形非铁导磁件204，筒形非铁导磁件204位于外层永磁体1031和内层永磁体1032之间，并且筒形非铁导磁件204的外壁上具有与外层永磁体1031相对的筒形外层无铁芯线圈2031，筒形非铁导磁件204的内壁上具有与内层永磁体1032相对的筒形内层无铁芯线圈2032。

电机壳体201与端盖202固定连接，端盖202和电机轴101之间通过轴承3连接，电机壳体201和电机轴101之间通过轴承3实现相对转动。电机壳体201、端盖202、内层无铁芯线圈2032、外层无铁芯线圈2031同步与电机轴101发生相对转动，也即永磁体与无铁芯线圈相对转动时，无铁芯线圈做切割磁感线运动产生电流，此时，电机为发电机。当无铁芯线圈通电时，定子组件产生的电磁场与转子组件的永磁体发生相互作用力，驱动电机轴101与电机壳体201发生相对转动，此时，电机为电动机。电机包括旋转变压器9，旋转变压器9的转轴固定连接在端盖202上，用于检测转子组件和定子组件相对应的角度。

电机壳体201为金属材质，有屏蔽磁场的作用，防止磁场外漏。

为了实现电机的冷却，本实施例的电机包括真空超导模块，如图7所示，真空超导模块的具体结构与实施例一相同，此处不再赘述。

为了对聚热包52的热量进行快速散热，如图10、11所示，本实施例的电机壳体201内设置有S型水流通道，端盖202内设置有Ω型水流通道，端盖202内的Ω型水流通道与电机壳体201内的S型水流通道连通，端盖202内的Ω型水流通道延伸至筒形非铁导磁件204内，也即筒形非铁导磁件204内设置有与Ω型水流通道连通的水流通道，筒形非铁导磁件204内的水流通道也是Ω型，筒形非铁导磁件204可以直接吸收无铁芯线圈产生的热量。聚热包52与端盖202接触，并且聚热包的位置与Ω型水流通道的位置相对应。真空超导模块与端盖202和筒形非铁导磁件204进行热交换。聚热包52直接与端盖202接触，无铁芯线圈与筒形非铁导磁件204接触，聚热包的热量迅速传递至端盖202的水流通道，无铁芯线圈的热量迅速传递至筒形非铁导磁件204的水流通道，热量被端盖202和壳体201水流通道内的冷却液循环导出。

电机壳体201上连接有与水流通道连通的进水管61和出水管62，与实施例一的实现方式相同。

另外，本实施例的液冷系统如图8所示，实现方式与实施例一相同，此处不再赘述。

本实施例永磁体103的安装方式均包括转子导磁环和导磁条，无铁芯线圈的安装方式均通过定子导磁环安装至筒形部1022上，具体实现方式与实施例一类似，此处不再赘述。

当然，本实施例也可仅在筒形非铁导磁件的内壁上安装有内层无铁芯线圈，内转子组件仅包括内层磁轭，内层磁轭上安装有内层永磁体；或者，仅在筒形非铁导磁件的外壁上安装有外层无铁芯线圈，内转子组件仅包括外层磁轭，外层磁轭上安装有外层永磁体。

实施例3

如图12、13所示，本实施例与实施例二的区别在于，本实施例的内转子组件的电机轴101上具有两组外层筒形磁轭1021、内层筒形磁轭1022、外层永磁体1031和内层永磁体1032。本实施例的外定子组件包括位于电机壳体201内具有两组筒形非铁导磁件204、外层无铁芯线圈2031和内层无铁芯线圈2032。因而，本实施例的两个端盖202内均具有Ω型水流通道，本实施例水流通道内的水流方向如图13所示。其余部分的实现方式与实施例二类似，此处不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种筒式单气隙内转子无铁芯电机，其特征在于，所述电机包括内转子组件和外定子组件，所述内转子组件包括电机轴、套装于所述电机轴上的筒形磁轭和安装于所述磁轭上的若干永磁体；所述外定子组件包括电机壳体和位于所述电机壳体内的筒形无铁芯线圈；所述电机包括真空超导模块，所述真空超导模块包括绕制所述筒形无铁芯线圈的空心导线和所述空心导线连接的聚热包，所述空心导线和聚热包内灌注有超导液。

2.根据权利要求1所述的筒式单气隙内转子无铁芯电机，其特征在于，所述电机壳体内设置有水流通道，所述真空超导模块与所述电机壳体进行热交换。

3.根据权利要求2所述的筒式单气隙内转子无铁芯电机，其特征在于，所述电机包括导热盘，所述导热盘与所述真空超导模块和电机壳体接触。

4.根据权利要求1或2或3所述的筒式单气隙内转子无铁芯电机，其特征在于，所述电机包括端盖，所述端盖内设置有Ω型水流通道，所述真空超导模块与所述端盖进行热交换。

5.根据权利要求4所述的筒式单气隙内转子无铁芯电机，其特征在于，所述端盖内的Ω型水流通道与所述电机壳体内的水流通道连通。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的筒式单气隙内转子无铁芯电机，其特征在于，所述电机包括液冷系统，所述液冷系统包括水流通道、控制器、温度传感器、冷媒循环泵、冷媒循环管路和散热器；所述冷媒循环管路与所述水流通道连通，所述温度传感器用于检测所述无铁芯线圈的温度并发送至所述控制器，所述控制器用于输出控制信号至所述冷媒循环泵和散热器。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的筒式单气隙内转子无铁芯电机，其特征在于，所述磁轭上设置有若干与所述电机轴同轴的转子导磁环，所述导磁环的轴向上设置有若干导磁条，所述转子导磁环和导磁条形成若干网格，所述永磁体位于所述网格内，且所述永磁体的磁极在同一轴线上相同在周向上交替分布；所述外定子组件包括筒形非铁导磁件，所述筒形非铁导磁件上具有与所述磁轭上的转子导磁环对应的定子导磁环，所述非铁导磁件上设置有若干插条，所述无铁芯线圈绕制在所述插条上，所述定子导磁环将所述无铁芯线圈压装在所述插条内。

8.根据权利要求7所述的筒式单气隙内转子无铁芯电机，其特征在于，所述筒形非铁导磁件安装于所述电机壳体的内壁上。

9.根据权利要求7所述的筒式单气隙内转子无铁芯电机，其特征在于，所述筒形非铁导磁件安装于所述端盖上；所述筒形非铁导磁件的内壁上安装有内层无铁芯线圈，所述内转子组件包括内层磁轭，所述内层磁轭上安装有内层永磁体；或者，所述筒形非铁导磁件的外壁上安装有外层无铁芯线圈，所述内转子组件包括外层磁轭，所述外层磁轭上安装有外层永磁体；或者，所述筒形非铁导磁件的内壁上安装有内层无铁芯线圈，所述筒形非铁导磁件的外壁上安装有外层无铁芯线圈，所述内转子组件包括内层磁轭，所述内层磁轭上安装有内层永磁体，所述内转子组件包括外层磁轭，所述外层磁轭上安装有外层永磁体。

10.根据权利要求9所述的筒式单气隙内转子无铁芯电机，其特征在于，所述端盖内设置有Ω型水流通道，所述筒形非铁导磁件内设置有与所述Ω型水流通道连通的水流通道。