CN107546943A - 一种无铁芯电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无铁芯电动机，包括磁幄和线圈与换向控制器，所述磁幄由两部分永磁体组成，所述一部分永磁体的N级全部朝向磁幄内，另一部分永磁体的S级全部朝向磁幄内；所述无铁芯线圈通过转轴置于呈径向磁场的磁幄内。其技术特征是，所述组成磁幄的两永磁体由镀有钕铁硼的石墨烯薄片组成，所述线圈由石墨烯导线绕制而成。本发明的优点：一是继承了集磁无铁芯电动机可实现电机磁场立体化和工作效率高等特点。二是颠覆了现有电动机主要由金属材料构成的传统模式。三是适应低碳经济的发展，可导致电动机行业呈现节能、高科技广泛应用等新特点，更加适应未来节能减排型电动机行业的技术要求。

Description

一种无铁芯电动机

技术领域

本发明涉及一种电机技术，特别涉及到一种无铁芯电动机。

背景技术

稀土永磁无铁芯电机是代表电机行业未来发展方向的一种新型特种电机，采用无铁芯、无刷、无磁阻尼、稀土永磁发电技术，改变了传统电机运用硅钢片与绕线定子结构，结合自主研发的电子智能变频技术，使电机系统效率提高到95％以上。稀土永磁无铁芯电机是一个重大创新，技术上实现了“三大”突破，一是与传统径向磁场结构设计相比，采用了轴向磁场结构设计，大幅度提高功率密度和转矩体积比。二是采用新型绕制工艺、高压精密压铸成型及高分子材料，有效降低绕组铜损。三是不使用硅钢片作为定、转子铁芯材料，消除了磁阻尼及铁损，降低了驱动功率，减少了铁损发热源。

稀土永磁无铁芯电机是一种全新产品，市场正处于培育之中，因此，它在推广与应用方面还存在不少困难和问题：首先是社会认知度不高。大多数用户对该技术不了解，对产品的工作原理、应用效果、可靠性还持怀疑态度。其次是标准规范滞后。中国在永磁电机方面的标准十分匮乏，稀土永磁无铁芯电机方面更是空白，严重影响了该类型电机的产品选型、性能评估、质量检测等，制约了产品的推广应用。再次是产业化程度还有待提高。目前，小功率的稀土永磁无铁芯电机已批量生产，在小型风力发电、柴油发电、电动工具方面得到了推广使用。但在中、大功率电机上还处于示范阶段。另外是缺乏政策激励。高效节能电机存在初始成本高、信息不对称等市场障碍，需要国家出台相关激励政策撬动市场、培育产业。

综上所述，尽管稀土永磁无铁芯电机是代表电机行业未来发展方向的一种新型特种电机，并具有十分可观的经济效益和社会效益，但由于存在因采用新技术、新工艺、新材料而导致的影响市场启动、产业培育的高成本问题，因而政策依赖性强，推广进程不够理想。显然，如果推出的电机能够以低成本为切入点，走“以价格撬动市场，以市场孕育产业”之路，则无论是对于问题的解决还是对于加快彰显无铁芯电机的经济效益和社会效益而言都是至关重要的。

目前，一种集磁电机已解决了上述问题。

集磁电机包括磁幄和线圈，所述磁幄由两部分永磁块组成，所述一部分永磁块N级全部朝向磁幄内，另一部分永磁块S级全部朝向磁幄内；所述无铁芯线圈通过转轴置于呈径向磁场的磁幄内，转轴处于两部分永磁块的间隔处。其中，当磁幄作为定子、线圈作为转子时，磁幄可采用箱形；当磁幄作为转子、线圈作为定子时，磁幄可采用筒形。

集磁电机的发明要点：利用呈径向磁场的磁幄内置线圈，从而实现电机磁场立体化，能使电机线圈在360°旋转中每度、每匝都沉浸在“匀强”磁场中，然后利用呈径向磁场的磁幄内置线圈，施于外电或外力致使磁幄、线圈依托转轴产生相对运动并做功或发电输出。

采用空心线圈可使产品结构更简单，生产成本更低廉；采用铁心线圈可一举解决高效电动机难于小型化、大型高效电动机结构复杂化的瓶颈问题。

集磁电机涉及的永磁体一般为钕铁硼、铁氧体、胶磁材料，线圈采公知的漆包线。

众所周知，石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，其强度比钢还要高200倍；石墨烯的电阻率只约10^-8Ω·m，比铜或银还小，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更轻巧的电机。

显然，如果把石墨烯技术开发和应用于无铁芯集磁电机，或将在无铁芯集磁电机及其相关领域引发革命性突破，并带动价值亿元以上的新兴产业链。

发明内容

本发明的任务是提出一种以石墨烯为主导材料的无铁芯电动机，以实现上述目的。

然而，要实现上述目的，首先获取石墨烯薄片与石墨烯导线是最关键的。

目前，一种简易且高效的石墨烯薄片及其纳米复合材料的制备方法是这样描述的：以工业应用的插层石墨为原料，通过热膨胀、超声分散及离心干燥制备了仅有3～4石墨烯单片，2～4纳米厚度，含氧量仅仅只有7％的石墨烯薄片，再将其与橡胶基体熔融共混，制得了石墨烯薄片均匀分散的弹性体纳米复合材料。在稳定的提高了复合材料力学性能的前提下，复合材料的导电和导热性能也有显著地提高。用插层石墨替代现在普遍采用的通过化学法合成的氧化石墨作为主体原料，不仅工艺简单，产量大，成本低廉，而且可以直接通过熔融共混得到石墨烯纳米复合材料，可大量运用于工业生产中。

而一种石墨烯导线的制备工艺是这样描述的：通过在铜导线表面生长石墨烷，然后将石墨烷还原为石墨烯来制备石墨烯导线。所述石墨烯生长工艺，较现有的石墨烯生长工艺大大降低了反应温度，并且可以直接得到石墨烯导线，无需使用石墨烯对内芯材料进行涂覆，提高了生产效率。

另一种制备石墨烯电线电缆的方法是这样描述的：将具有优异二维导电特性的石墨烯功能材料喷镀或者生长于基体膜材料上，经过热压工艺处理，使无序排列的石墨烯纳米微片转换成高度有序排列的二维石墨烯膜，从而制备成具有优异二维导电特性的石墨烯膜材料。然后通过卷绕技术将二维石墨烯膜材料卷绕成具有优异一维导电特性的石墨烯电线。该类石墨烯电线电阻率低，导电密度大，导电特性优于铜和银等金属导体。同时，该类石墨烯电线重量轻，耐高温，并且化学稳定性好。

还有一种石墨烯导线的制备方法是这样描述的：(1)衬底准备：将铜导线在40-100℃，弱酸溶液中浸泡5-60分钟；(2)石墨烷生长：将准备的好的所述衬底，放进CVD炉体中，CVD炉体抽至低气压、升至300-600℃；气体组合：氢气/甲烷，氢气/乙烯，氢气/乙炔，按一定比例，一定流量流过炉体；开启等离子体发生器，持续5-30分钟；(3)石墨烷还原成石墨烯：炉体保持步骤2)中的温度，充满氩气氛围，压力升至常压，保持5-50小时；(4)降温：保持炉体状态，关闭加热系统，温度自然降至室温。

显然，推出石墨烯无铁芯电动机已具备技术条件和前提。

一种无铁芯电动机，包括磁幄和线圈与换向控制器，所述磁幄由两部分永磁体组成，所述一部分永磁体的N级全部朝向磁幄内，另一部分永磁体的S级全部朝向磁幄内；所述无铁芯线圈通过转轴置于呈径向磁场的磁幄内，转轴处于两部分永磁块的间隔处。其技术特征是，所述组成磁幄的两永磁体由镀有钕铁硼的石墨烯薄片组成，所述线圈由石墨烯导线绕制而成。

本发明的优点与积极效果：一是继承了集磁无铁芯电动机可实现电机磁场立体化和工作效率高等特点。二是电动机的核心部分甚至整机都可由非金属材料构成，颠覆了现有电动机主要由金属材料构成的传统模式。三是重量轻体积小，使用寿命长，生产成本低。四是适应低碳经济的发展，可导致电动机行业呈现节能、高科技广泛应用等新特点，更加适应未来节能减排型电动机行业的技术要求。

实施方式

一种无铁芯电动机，包括磁幄和线圈与换向控制器，所述磁幄由两部分永磁体组成，所述一部分永磁体的N级全部朝向磁幄内，另一部分永磁体的S级全部朝向磁幄内；所述无铁芯线圈通过转轴置于呈径向磁场的磁幄内，转轴处于两部分永磁块的间隔处。其技术特征是，所述组成磁幄的两永磁体由镀有钕铁硼的石墨烯薄片组成，所述线圈由石墨烯导线绕制而成。

所述无铁芯电动机为直流电动机。

所述线圈通过换向控制器与外电路连接。

所述磁幄作为定子、线圈作为转子。

所述磁幄采用圆形。

所述转轴为石墨烯转轴。

石墨烯无铁芯电动机的技术路线：

第一步，确定石墨烯无铁芯电动机技术方案，完成基本理论-→技术方案的转化；

第二步，根据技术方案，开展基础研究——建立石墨烯无铁芯电动机并进行石墨烯无铁芯电动机样机的设计、加工、组装与检验；

第三步，进行石墨烯无铁芯电动机原理样机的整机成形设计、加工与组装；

第四步，进行整机联试联调，修正整机结构，完善整机设计；

第五步，进行产品设计定型试验并送检，阶段性完成产品的设计与定型。

石墨烯无铁芯电动机涉及动车、电动汽车、起动装置、动力机械等所有应用范围和应用领域，特别涉及到节能减排等方面的应用。另外，能有效促进以石墨烯无铁芯电动机为核心的各技术领域知识产权的创造与运用，优化知识产权公共服务，促进新技术、新产业、新业态的蓬勃发展。

在很大程度上决定着GDP增长的电动机年耗电量约为2万亿千瓦时，占全国用电总量的60％和工业用电量的80％，而目前电动机的装机容量是发电机的2-3倍，因此，我国的供电情形可谓“捉襟见肘”。由于石墨烯无铁芯电动机与现有电动机相比具有更强的节能减排能力，因此，随着墨烯无铁芯电动机的广泛应用，必将促进电机行业以及涉及电机行业例如电动汽车行业、空调行业等的发展与壮大。而这些行业的发展，反过来又可以进一步促进墨烯无铁芯电动机更为广泛的应用。

Claims (1)

1.一种无铁芯电动机，包括磁幄和线圈与换向控制器，所述磁幄由两部分永磁体组成，所述一部分永磁体的N级全部朝向磁幄内，另一部分永磁体的S级全部朝向磁幄内；所述无铁芯线圈通过转轴置于呈径向磁场的磁幄内，转轴处于两部分永磁块的间隔处。其技术特征是，所述组成磁幄的两永磁体由镀有钕铁硼的石墨烯薄片组成，所述线圈由石墨烯导线绕制而成。