CN109639035A - 基于双层转子结构的电机及双层储能飞轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种基于双层转子结构的电机及双层储能飞轮。该电机包括安装壳、定子、内转子和外转子，可应用于双层储能飞轮，也可以作为纯电动机、纯发电机或电动及发电一体机(即内转子和外转子两个中的其中一个转子为电动机，另一个转子为发电机)使用。该电机可以为无铁芯电机也可以为有铁芯电机，优选为无铁芯电机。本申请中内转子与外转子不存在物理连接，通过磁场作用将内转子和外转子耦合，使内转子和外转子相互联动。

Description

基于双层转子结构的电机及双层储能飞轮

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种基于双层转子结构的电机及双层储能飞轮。

背景技术

同交流感应电机相比，永磁电机效率更高，体积更小，力矩输出更恒定，可靠性更好，是高速高效电机领域的发展方向。

永磁电机由转子和定子组成。电机的励磁磁场由转子上的永磁铁提供。励磁磁场通过与定子上线圈中的电流的相互作用产生转动力矩，实现电机的转动。永磁电机通常可分为内转子或外转子结构。内转子结构电机中，转子在电机中心，被外圈的定子所包围。通常用于需要更高响应带宽的场合，譬如伺服控制等；外转子结构电机的定子在电机中心，被外圈的转子包围，这样可以提升转子的转动惯量，使得电机受外部负载扰动的影响更小，常应用于需要恒定转速的场合。

传统永磁电机为定子铁芯结构，定子线圈缠绕在由硅钢片堆叠而成的定子铁芯上。转子和定子磁场共同作用于定子铁芯、电机气隙与转子所形成的磁路，两者磁场间产生相互作用而形成转动扭矩。由于定子铁芯在空间上的不连续性，会造成转子和定子磁场在空间上的波动，这种波动在数学上可以表现为傅里叶变换下的高阶频谱信号。

传统无铁芯电机不采用定子铁芯结构，磁场由线圈，电机气隙以及转子所形成的磁路所定义。由于没有空间上的不连续性，使得转子与定子磁场更加平滑，因此，电机没有齿槽转矩，在圆周上无转矩波动，电机的控制更平稳。定子径向截面更薄、体积更小。由于没有定子铁芯，减少了铁损，可以潜在提高电机效率。由于传统无铁芯电机的磁路磁阻相对较大，可能削弱同样条件下转子及定子磁场强度，造成转矩降低。

在现有的永磁无铁芯电机，无论是外转子结构还是内转子结构，传统无铁芯电机的绕组线圈都不缠绕任何金属铁芯，通过去除传统永磁电机的定子铁芯，电机的偏置磁场及控制磁场分布将更为平滑，这样大大减少了电机的转矩波动，使得电机控制更加平滑。除此之外，由于减少了磁路上的硅钢片，降低了磁滞损耗，可以潜在提高电机的效率。但是，由于去除了电机的定子铁芯，增加了磁路的磁阻，会降低电机中的磁场强度，从而降低电机输出的力矩峰值，由于磁阻增加，将导致定子线圈需要提供更多的电磁驱动力，这样将加大电机导线中的热损耗，抵消减小的磁滞损耗，最终反而可能使电机效率降低，由于没有铁芯的散热，可能造成定子的热量无处耗散，造成定子过热。

鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的基于双层转子结构的电机及双层储能飞轮成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于双层转子结构的电机及双层储能飞轮。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

本发明提供了一种基于双层转子结构的电机，该电机包括：

安装壳；

固定于所述安装壳的定子，所述定子包括定子线圈；

可旋转地设于所述安装壳内侧的内转子，所述内转子的外壁上设有内转子励磁磁铁，所述内转子励磁磁铁位于所述内转子与所述定子线圈之间；

可旋转地套设于所述安装壳外侧的外转子，所述外转子的内壁上设有外转子励磁磁铁，所述定子线圈夹于所述内转子励磁磁铁和所述外转子励磁磁铁之间。

优选地，所述安装壳包括上壳体和下壳体，所述上壳体和所述下壳体共同配合用于固定所述内转子和所述外转子，所述安装壳由金属或非金属材料制成。

优选地，所述内转子与所述安装壳之间通过内转子轴承连接，所述外转子与所述安装壳之间通过外转子轴承连接。

优选地，所述内转子轴承为滚动轴承、滑动轴承、磁轴承和气轴承中的一种或多种。

优选地，所述外转子轴承为滚动轴承、滑动轴承、磁轴承和气轴承中的一种或多种。

优选地，所述定子中无定子铁芯，所述定子中还包括支撑结构，所述定子线圈固定于所述支撑结构上，所述支撑结构由金属或非金属材料制成，或者由一种或多种非成型材料，所述非成型材料包括凝胶、橡胶、玻璃和树脂。

优选地，所述定子也可以包括定子铁芯，所述定子线圈围绕所述定子铁芯缠绕，所述定子铁芯夹于所述内转子励磁磁铁和所述外转子励磁磁铁之间，所述定子铁芯包括多个铁芯叠片，多个所述铁芯叠片沿所述定子铁芯的轴向层叠设置。

所述的基于双层转子结构的电机在所述内转子和所述外转子均为发电机，或所述内转子和所述外转子均为电动机，或所述内转子和所述外转子中的其中一个转子为电动机，另一个转子为发电机中的应用。

本发明还提供了一种双层储能飞轮，包括上述电机，所述外转子与外转子飞轮连接，所述外转子飞轮设于所述安装壳的外部，所述内转子与内转子飞轮连接，所述内转子飞轮设于所述安装壳的内部并装设于所述内转子的外侧。

优选地，所述安装壳形成有中空的第一腔体和与所述第一腔体一体连通的位于所述第一腔体下端的第二腔体，所述第一腔体与所述第二腔体的截面呈倒“T”字型，所述外转子位于所述第一腔体的外侧，所述内转子装设于所述第一腔体中，所述内转子从所述第一腔体延伸至第二腔体。

优选地，所述外转子飞轮套设于所述第一腔体的外侧，所述内转子飞轮容置于所述第二腔体中。

本发明的电机包括安装壳、定子、内转子和外转子，该电机的内转子与外转子不存在物理连接，通过磁场作用将内转子和外转子耦合，使内转子和外转子相互联动，该电机可应用于双层储能飞轮，也可以作为纯电动机、纯发电机或电动及发电一体机(即内转子和外转子两个中的其中一个转子为电动机，另一个转子为发电机)使用。本发明的双层储能飞轮具有双层转子结构，有效利用空间，使得单位体积下可利用的飞轮重量增加，从而增加了飞轮储存能量的密度。

附图说明

图1是本发明的无铁芯电机的内部结构示意图。

图2是本发明的无铁芯电机的俯视图。

图3是本发明的有铁芯电机的内部结构示意图。

图4是本发明的双层储能飞轮的内部结构示意图。

图5是本发明的双层储能飞轮的俯视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在下文中，将参考附图来更好地理解本发明的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本发明的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。

如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本发明。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”和其衍生词将与如图1定向的发明有关。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的发明构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。

本发明的实施例中提供了一种基于双层转子结构的电机，该电机可应用于双层储能飞轮，也可以作为纯电动机、纯发电机或电动及发电一体机(即内转子和外转子两个中的其中一个转子为电动机，另一个转子为发电机)使用。该电机可以为无铁芯电机也可以为有铁芯电机，优选为无铁芯电机。本申请中内转子与外转子不存在物理连接，通过磁场作用将内转子和外转子耦合，使内转子和外转子相互联动。

请参见图1和图2，图1和图2示出了一种基于双层转子结构的无铁芯电机。该电机包括：安装壳10、定子(图中未示出)、内转子30和外转子40。

其中，定子固定于安装壳10，定子包括支撑结构(图中未示出)和围绕该支撑结构缠绕的定子线圈20，内转子30可旋转地设于安装壳10的内侧，内转子30的外壁上设有内转子励磁磁铁301，内转子励磁磁铁301位于内转子30与定子线圈20之间；外转子40可旋转地套设于安装壳10外侧，外转子40的内壁上设有外转子励磁磁铁401，定子线圈20夹于内转子励磁磁铁301和外转子励磁磁铁401之间。

进一步地，支撑结构由金属或非金属材料制成，或者由一种或多种非成型材料制成，非成型材料包括但不限于凝胶、橡胶、玻璃和树脂，支撑结构可以由凝胶、橡胶、玻璃和树脂中的一种或多种制成。

在本实施例中，该电机为无铁芯设置，由于定子上的偏置磁场由内转子励磁磁铁301和外转子励磁磁铁401共同提供，使得内转子30与外转子40的转动可以同步，减少了控制难度，因此，在大大减小了磁路磁阻的同时增加了磁驱力，使得偏置磁场强度更高，同时由于该电机不存在铁芯，没有磁饱和的影响，因此，更高的偏置磁场强度增加了电机的功率密度。

本实施例的无铁芯电机保留了传统无铁芯电机相对于传统铁芯永磁电机的优点，减小了磁滞损耗，提高了电机效率，减小了定子空间，消除了齿槽转矩，使电机转矩输出更为平滑，控制效率和效果更佳，无铁芯电机在保持了传统无铁芯电机优势的基础上设置了双层转子结构，大大提高了电机的偏置磁场，从而提升了电机的功率密度，同时，由于同样功率下的电机定子流量的需求减小，进而减小了定子热损耗，降低了电机的温度，提高了电机的可靠性及寿命。

在另一个实施例中，请参见图3，图3示出了一种基于双层转子结构的有铁芯电机。该电机包括：安装壳10、定子(图中未示出)、内转子30和外转子40。

其中，定子固定于安装壳10，定子还包括定子铁芯202，定子线圈20围绕定子铁芯202缠绕，内转子30可旋转地设于安装壳10的内侧，内转子30的外壁上设有内转子励磁磁铁301，内转子励磁磁铁301位于内转子30与定子线圈20之间；外转子40可旋转地套设于安装壳10外侧，外转子40的内壁上设有外转子励磁磁铁401，定子线圈20夹于内转子励磁磁铁301和外转子励磁磁铁401之间。

进一步地，在上述实施例的基础上，定子铁芯202的径向内表面上形成有沿着定子铁芯202圆周间隔排列的多个齿，多个齿之间形成一个用于固定定子线圈20的结构，定子铁芯202夹于内转子励磁磁铁301和外转子励磁磁铁401之间，定子铁芯202包括多个铁芯叠片，多个铁芯叠片沿定子铁芯202的轴向层叠设置。

在本实施例中，由于定子上的偏置磁场由内转子励磁磁铁301和外转子励磁磁铁401共同提供，使得内转子30与外转子40的转动可以同步，减少了控制难度，因此，在大大减小了磁路磁阻的同时增加了磁驱力，使得偏置磁场强度更高。

在上述实施例中，内转子30与外转子40不存在物理机构连接，通过磁场作用将内转子30和外转子40耦合，使内转子30与外转子40相互联动，即转动内转子30与外转子40两个中的其中一个，由于磁力相吸作用，另一个也会随之转动。此外，在定子电流和磁场耦合的作用下，内转子30与外转子40因励磁电流的作用以相同的速度转动。

在上述实施例的基础上，本实施例中，请参见图1、图3和图4，安装壳10包括上壳体100和下壳体101；请参见图1和图4，支撑结构设于上壳体100和下壳体101之间，请参见图3，定子铁芯202设于上壳体100和下壳体101之间，上壳体100和下壳体101共同配合用于固定内转子30和外转子40，安装壳10由金属或非金属材料制成，上壳体100和下壳体101与支撑结构之间可以是一体形成的，也可以是机械连接的。

在上述实施例的基础上，进一步地，请参见图1、图3和图4，安装壳10通过不同种类的轴承来为内转子30、外转子40提供支撑，内转子30与安装壳10之间通过内转子轴承302连接，外转子40与安装壳10之间通过外转子轴承402连接。优选地，内转子30的上下两端与内转子轴承302连接，内转子轴承302旋转时可带动内转子30一起旋转，外转子40的上下两端与外转子轴承402连接，外转子轴承402旋转时可带动外转子40一起旋转。

在本实施例中，请参见图1、图3和图4，上壳体100通过内转子轴承302固定内转子30的上端，通过外转子轴承402固定外转子40的上端，下壳体101通过内转子轴承302固定内转子30的下端，通过外转子轴承402固定外转子40的下端。

进一步地，内转子轴承302和外转子轴承402的种类也不局限于一种，内转子轴承302为滚动轴承、滑动轴承、磁轴承和气轴承中的一种或多种，外转子轴承402为滚动轴承、滑动轴承、磁轴承和气轴承中的一种或多种。

由于内转子30与外转子40不存在物理机构连接，具有一定的独立性，根据电机的内转子30和外转子40连接不同的负载，内转子30与外转子40可以作为系统中不同形式的应用，例如，内转子30和外转子40两个中的其中一个作为电动机应用，另一个作为发电机应用。

在上述实施例的基础上，上述基于双层转子结构的电机可以在内转子30和外转子40均为发电机，或内转子30和外转子40均为电动机或电动及发电一体机(即内转子30和外转子40两个中的其中一个转子为电动机，另一个转子为发电机)中的应用。内转子30与外部负载或外部驱动连接，当内转子30与外部负载连接时，作电动机用，当内转子30与外部驱动连接时，作发电机用。

外转子40与外部负载或外部驱动连接，当外转子40与外部负载连接时，作电动机用，当外转子40与外部驱动连接时，作发电机用。

具体地，当内转子30和外转子40均连接外部驱动时，该电机作为发电机使用，内转子30与外转子40相对于定子电流空间向量转动存在一个超前角，但两者的转动速度相同，典型的应用有放电状态下的双层飞轮和双层涡轮发电机。

当内转子30和外转子40均连接外部负载时，该电机作为电动机使用，内转子30与外转子40相对于定子电流空间向量转动存在一个滞后角，但两者的转动速度相同，典型的应用有双层压缩机、双层鼓风机、双层伺服电机、单层驱动电机+线圈冷却风机、充电状态下的双层飞轮等。

当内转子30连接外部驱动时，作为发电机使用，外转子40连接外部负载时，作为电动机使用，此时，该电机为电动及发电一体机，外转子40相对于定子电流空间向量转动存在一个滞后角，内转子30相对于定子电流空间向量转动存在一个超前角，但两者的转动速度相同，典型的应用有混合式涡轮增压器(内转子30为涡轮、外转子40为压缩机)、磁耦合联轴器。

当内转子30连接外部负载时，作为电动机使用，外转子40连接外部驱动时，作为发电机使用，此时，该电机为电动及发电一体机，内转子30相对于定子电流空间向量转动存在一个滞后角，外转子40相对于定子电流空间向量转动存在一个超前角，但两者的转动速度相同，典型的应用有混合式增压器(外转子40为涡轮、内转子30为压缩机)、磁耦合联轴器。

本发明的实施例还提供了一种双层储能飞轮，上述电机(包括无铁芯电机和有铁芯电机)应用于双层储能飞轮，优选为无铁芯电机，请参见图4和图5，图4和图5示出了一种双层储能飞轮，该双层飞轮包括无铁芯电机，外转子40与外转子飞轮403连接，外转子飞轮403设于安装壳10的外部，内转子30与内转子飞轮303连接，内转子飞轮303设于安装壳10的内部并装设于内转子30的外侧。

在本实施例中，外转子飞轮403与内转子飞轮303的工作形式包括四种组合，工作形式指储能和释能，其中，储能是指以动能的形式将能量储存起来，完成电能到机械动能转换的储能过程，释能是指经电力转换器输出适用于负载的电流和电压，完成机械动能到电能转换的释放能量过程。这四种组合具体为：(1)外转子飞轮403储能，内转子飞轮303储能；(2)外转子飞轮403释能，内转子飞轮303释能，(3)外转子飞轮403储能，内转子飞轮303释能，(4)外转子飞轮403释能，内转子飞轮303储能。

传统的飞轮结构，承载能量的转子或为内转子30结构或为外转子40结构，本实施例的双层储能飞轮的能量集中双层转子上。本实施例的双层储能飞轮将具有双层转子结构的无铁芯电机替代传统的铁芯永磁电机，减小了电机的损耗，提高了能量的转换效率，因为引入了内、外双层转子的结构，有效利用空间，使得单位体积下可利用的飞轮重量增加，从而增加了飞轮储存能量的密度。

进一步地，请参见图4，安装壳10形成有中空腔102，中空腔102包括第一腔体1021和第二腔体1022，第一腔体1021与第二腔体1022的截面呈倒“T”字型。

进一步地，外转子40位于第一腔体1021的外侧，内转子30装设于第一腔体1021中，内转子30从第一腔体1021延伸至第二腔体1022。

进一步地，外转子飞轮403套设于第一腔体1021的外侧，内转子飞轮303容置于第二腔体1022中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于双层转子结构的电机，其特征在于，该电机包括：

安装壳；

固定于所述安装壳的定子，所述定子包括定子线圈；

可旋转地设于所述安装壳内侧的内转子，所述内转子的外壁上设有内转子励磁磁铁，所述内转子励磁磁铁位于所述内转子与所述定子线圈之间；

可旋转地套设于所述安装壳外侧的外转子，所述外转子的内壁上设有外转子励磁磁铁，所述定子线圈夹于所述内转子励磁磁铁和所述外转子励磁磁铁之间。

2.根据权利要求1所述的基于双层转子结构的电机，其特征在于，所述安装壳包括上壳体和下壳体，所述上壳体和所述下壳体共同配合用于固定所述内转子和所述外转子，所述安装壳由金属或非金属材料制成。

3.根据权利要求1所述的基于双层转子结构的电机，其特征在于，所述内转子与所述安装壳之间通过内转子轴承连接，所述外转子与所述安装壳之间通过外转子轴承连接。

4.根据权利要求3所述的基于双层转子结构的电机，其特征在于，所述内转子轴承为滚动轴承、滑动轴承、磁轴承和气轴承中的一种或多种。

5.根据权利要求3所述的基于双层转子结构的电机，其特征在于，所述外转子轴承为滚动轴承、滑动轴承、磁轴承和气轴承中的一种或多种。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的基于双层转子结构的电机，其特征在于，所述定子中无定子铁芯，所述定子中还包括支撑结构，所述定子线圈固定于所述支撑结构上，所述支撑结构由金属或非金属材料制成，或者由一种或多种非成型材料制成，所述非成型材料包括凝胶、橡胶、玻璃和树脂。

7.根据权利要求1至5任意一项所述的基于双层转子结构的电机，其特征在于，所述定子也可以包括定子铁芯，所述定子线圈围绕所述定子铁芯缠绕，所述定子铁芯夹于所述内转子励磁磁铁和所述外转子励磁磁铁之间，所述定子铁芯包括多个铁芯叠片，多个所述铁芯叠片沿所述定子铁芯的轴向层叠设置。

8.权利要求1至7任意一项所述的基于双层转子结构的电机在所述内转子和所述外转子均为发电机，或所述内转子和所述外转子均为电动机，或所述内转子和所述外转子中的其中一个转子为电动机另一个转子为发电机中的应用。

9.一种双层储能飞轮，其特征在于，包括上述权利要求1至7任意一项的电机，所述外转子与外转子飞轮连接，所述外转子飞轮设于所述安装壳的外部，所述内转子与内转子飞轮连接，所述内转子飞轮设于所述安装壳的内部并装设于所述内转子的外侧。

10.根据权利要求9所述的双层储能飞轮，其特征在于，所述安装壳形成有中空的第一腔体和与所述第一腔体一体连通的位于所述第一腔体下端的第二腔体，所述第一腔体与所述第二腔体的截面呈倒“T”字型，所述外转子位于所述第一腔体的外侧，所述内转子装设于所述第一腔体中，所述内转子从所述第一腔体延伸至第二腔体，所述外转子飞轮套设于所述第一腔体的外侧，所述内转子飞轮容置于所述第二腔体中。